キャロル・A・バーンズ

キャロル・A・バーンズは、アリゾナ大学の心理学教授であるアメリカの神経科学者です。^[1] 2006年以来、彼女はエブリン・F・マックナイト老化における学習と記憶の教授を務めており^[2]、エブリン・F・マックナイト脳研究所の所長でもあります。^{[3]バーンズは}神経科学協会の会長であり^[4]、アメリカ科学振興協会のフェロー、^{[5] 、}ノルウェー王立科学文学協会の外国人会員でもあります。^[6]彼女は2018年に米国科学アカデミーに選出されました。^[7]

バーンズは170以上の査読付き論文を発表している。^[8]一般的に、彼女の研究は加齢に伴って脳に起こる神経生理学的および行動的変化に焦点を当てている。これらの変化を理解することで、アルツハイマー病などの加齢に伴う神経変性疾患に寄与する過程が明らかになる可能性がある。バーンズは海馬依存記憶を評価するために使用される空間ナビゲーション記憶課題であるバーンズ迷路も開発した。^[1]

バーンズは1971年にカリフォルニア大学リバーサイド校で心理学の学士号を優秀な成績で取得した。その後、カナダのオタワにあるカールトン大学で学業を続け、1972年に心理学の修士号を取得した。1977年、カールトン大学で心理学の博士号を優秀な成績で取得した。大学院卒業後、バーンズはダルハウジー大学心理学部、オスロ大学神経生理学研究所、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンで脳機能の博士研究員として神経心理学と神経生理学の研究に携わった。^[9]

バーンズはエブリン・F・マックナイト脳研究所の老化における学習・記憶の寄付講座教授を務めている。またアリゾナ州ツーソンにあるアリゾナ大学の神経系・記憶・老化部門の理事教授兼ディレクターでもある。バーンズは技術研究基金（TRIF）の資金援助を受けているBIO5研究所の一員である。^[10] BIO5研究所では、アルツハイマー病やその他の加齢に伴う脳疾患に取り組む学生たちと活動している。バーンズは癌生物学、神経科学、心理学、生理学も教えている。^[11]

バーンズは、国レベルおよび地域レベルで神経科学研究コミュニティに関わっています。バーンズの研究は、認知疾患に関連した脳の老化をより深く理解することを目指して、40年にわたります。脳の正常な老化に対するバーンズ氏の関心は、彼女と家族が祖父の記憶力が低下していることに気づいたことに端を発しています。^[12]彼女の研究は、霊長類やネズミなどの動物モデルを使用して、脳の正常な老化プロセスで記憶がどのように影響を受けるか、および関連する神経生物学的メカニズムを調査および理解するために行われています。バーンズの研究における動物モデルの使用は、高齢者の認知寿命を延ばすことを目的とした、脳の機能異常に対する治療に反映されています。バーンズの研究の性質上、正常な老化が脳に与える影響を調べるために、行動、解剖、電気生理学、分子の手法が使用されます。^[13]彼女の研究分野のほとんどは、ラットとサルの脳の海馬構造の調査と観察、細胞間シグナル伝達におけるシナプス伝達の観察と記録、およびゲノム配列の解析です。

空間学習と記憶を研究するため、キャロル・バーンズは迷路を利用して、マウスがプラットフォーム上の脱出ボックスの位置を覚えているかどうかをテストしました。バーンズ迷路は、研究室での記憶テストの標準ツールになりました。1979 年に設計されたバーンズの迷路は、外部の報酬や罰を使わずに記憶を研究する代替手段であり、プロセス全体を通じて動物にかかるストレスも軽減しました。

元の研究は、床から 91 cm の高さに持ち上げられたプラットフォーム (直径 122 cm) と、その周囲に均等間隔で配置された 18 個の円形の穴 (直径 9.5 cm) で構成されていました。穴の 1 つの下には、黒い脱出ボックス、またはプラットフォームの色とは対照的な暗い色があり、残りの穴は偽の脱出ボックスにつながっています。

この研究は、実験の 3 つのバリエーションから構成されていました。第 1 に、マウスは穴の 1 つの下に置かれた脱出室を見つけるだけでした。第 2 に、脱出室は元の穴から 120 ～ 140 度回転した穴に移動され、元の穴は覆われました。第 3 に、元の穴は覆われなかったことを除いて、2 番目のバリエーションと同じ方法が使用されました。バーンズと彼女のチームは、全体的に、オスのマウスがすべてのバリエーションの実験でより良い成績を収めたことを発見しました。さらに、若いマウスもすべてのバリエーションでより良い成績を収めましたが、年老いたマウスはバリエーション 2 と 3 で顕著な困難を示しました。これは、空間記憶の加齢による障害を示しています。^[14]

バーンズと彼女のチームは、 MRIイメージング技術を使用して、通常老化したげっ歯類の脳では海馬の大きさは変化していないことを観察することができました。代わりに、皮質灰白質の容積が変化しました。この動物モデルにより、通常の人間の機能中の脳がどのようになっているかを理解できました。この理解から、アルツハイマー病により変性した脳と比較されました (げっ歯類は AD を示さない)。これらの発見は、通常の老化中、海馬は同じ大きさのままですが、その機能は脳の他の領域の機能と比較して低下する可能性があることを示しています。^[15]

影響を受けた組織をさらに詳しく調べたところ、単一細胞イメージングにより、海馬を構成する細胞には主に 3 つの種類があることがわかった。ラットの海馬の細胞活動と細胞数を観察すると、CA1およびCA3 錐体細胞は引き続き活動しており、同じ体積であることがわかった。しかし、歯状回の顆粒細胞の数は加齢とともに継続的に減少し、これらの細胞の機能も低下したため、バーンズと彼女のチームは、これらの歯状回細胞が記憶に関与する海馬回路の弱点であると結論付けた。^[16]

げっ歯類モデルの研究に加えて、バーンズ氏は非ヒト霊長類モデル、具体的にはマカクザルを使った標準的老化研究の分野の発展に貢献してきました。主に、マカクザルを使ったバーンズの初期の研究は、げっ歯類から収集された神経生物学的データと高齢の人間の機能的画像データを結び付けるのに役立ちました。「高齢霊長類の記憶障害は、領域特異的なネットワーク機能障害と関連している」という論文で、バーンズ氏と彼女のチームは、高齢のサルは物体認識に重大な障害があることを示しました。

さらに、高齢のサルは海馬のCA3サブ領域における抑制性ソマトスタチン陽性介在ニューロンの密度が低いことが示された。これらの介在ニューロンは海馬の興奮性ニューロンの活動を制御する役割を担っている。介在ニューロン密度が低いと、CA3興奮性ニューロンのベースライン発火率が上昇した。この発見は、高齢者の成人の画像研究で示された海馬活動の増加と関連している。介在ニューロン密度の減少と海馬のベースライン発火率の増加は、どちらも認知能力の低下と関連している。^[17]

さらに、論文「哺乳類の海馬における進化的に保存された記憶コーディング スキームの証拠」で、バーンズと彼女のチームは、すべての哺乳類が単一の経験の記憶をエンコードするために海馬に同じ量のニューロンを必要とするという証拠を発見しました。この発見は、背の高い哺乳類が同様の仮想現実体験をエンコードするために安定した量のニューロンを使用していることを示唆しています。ただし、海馬のサイズは変化するため、経験のエンコードに使用されるニューロンの割合は異なります。げっ歯類は海馬が最も小さいため、海馬ニューロンの 40% をエンコードに使用し、非ヒト霊長類は海馬が大きく 4% を使用します。最後に、ヒトは海馬が最も大きく、経験のエンコードに推定 2.5% を使用します。^[18]

バーンズ氏はまた、標準的な老化に伴う実行機能の変化を観察する研究も行っています。実行機能とは、注意、意思決定、衝動制御、感情制御など、人間が関与する高次のプロセスです。これらの機能は、前頭前野の活動によって媒介されます。再びマカクザルを研究し、バーンズ氏とチームは実行機能の2つの側面、注意の監視と更新、およびセットシフトに注目しました。注意の監視と更新により、対応するルールの変更に伴う行動の変化が可能になります。たとえば、2つの選択肢が提示された場合、最初は1つが正しい選択です。しかし、正しい選択が2つ目の選択肢に変わると、注意の監視と更新により、ルールの変更を修正し、正しく選択できるように行動を変えることができます。行動の変化は試行錯誤のプロセスによって媒介され、正しい選択を特定の行動に関連付けるのに役立ちます。バーンズ氏とチームは、年老いたサルはルールの変更を正確に説明するのにより多くの試行を必要とすることを発見しました。これは、注意の監視と更新の背後にある実行システムが老化とともに損なわれることを示唆しています。

正確さを保ちながら無意識に注意をタスク間で切り替える能力であるセットシフトを研究するために、バーンズはマカクザルに、以前に学習した物体の物体認識テストを行いました。次に、物体の選択と新しい物体の評価を切り替える必要がある干渉物体を提示しました。その結果、高齢のサルは、この干渉のある物体認識において、若いサルよりも優れた成績を収めました。したがって、セットシフト能力は、加齢とともに強化されないとしても、維持されるようです。

しかし、これらの研究で最も重要な発見は、実行機能の2つの側面、監視と更新、セットシフトが、加齢とともに異なる影響を受ける独立したシステムであることが示されたことです。したがって、バーンズと彼女のチームは、前頭前野の変化は加齢の結果である可能性があるが、その中の異なるサブ領域は異なる老化パターンを示すと示唆しています。^[19]

キャロル A バーンズによる最後の研究貢献は、高齢のマカクザルの空間ネットワークと空間記憶の研究です。バーンズと彼女のチームは、ケージ、座位、トレッドミルでの歩行、空間での自由歩行という 4 つの異なる運動条件での脳活動を研究しました。この研究では、若いマカクザルは 4 つの異なる条件すべてで異なる空間ネットワークを持っていることがわかりました。しかし、高齢のサルは空間ネットワークの個別の活動が少なくなっています。つまり、すべての条件で同じ未分化ネットワークが活性化されたということです。この発見は、空間認知障害の可能性のある説明として動的ネットワークの変化を示唆しています。言い換えれば、空間処理ネットワークは加齢とともに精度が低下し、空間記憶の喪失や混乱につながる可能性があります。^[20]

バーンズは、神経科学の分野で女性や恵まれない人たちに機会を提供する活動で、同僚や一般の人々から認められている。2010年に彼女はミカ・サルペター生涯功労賞^[12]を受賞した。この賞は「神経科学分野で優れた業績を残し、神経科学分野で女性の専門的進歩を積極的に促進した個人を表彰する」ものである^{[21] 。}

さらに、彼女はNIHの恵まれない高校生研究プログラム、少数派の研究キャリアへのアクセス、マクネア達成プログラムに積極的に参加している。2013年、バーンズは神経科学における女性の祭典で「神経科学の進化：女性とグローバリゼーションの役割」と題した基調講演を行った。^[12]

• 1969年: 国立科学財団夏季研究フェローシップ 国立科学財団夏季研究フェローシップ
• 1972–74: オンタリオ大学院フェローシップ オンタリオ大学院フェローシップ
• 1979–81: NIH国立研究サービス賞
• 1981–82: NATO科学研究員
• 1984–89: 研究キャリア開発賞
• 1989～1994年：ADAMHA研究科学者育成賞、国立精神衛生研究所
• 1994～99年：ADAMHA研究科学者育成賞、国立精神衛生研究所
• 2004年～現在：ノルウェー王立科学文学協会外国人会員（自然科学）
• 2004～2014年：高齢化に関する国家諮問委員会のMERIT賞
• 2004–14:アリゾナ大学理事教授
• 2006年～現在: 寄付講座: エブリン・F・マックナイト教授 高齢化における学習と記憶
• 2009年～現在：アメリカ科学振興協会フェロー
• 2010: 2009 APA Division 6 DB Marquis 行動神経科学賞
• 2010年: 2010 APA Division 6 DB Marquis 行動神経科学賞
• 2010年: ミカ・サルペター生涯功労賞
• 2011年～現在: アリゾナ大学理学部ガリレオフェロー
• 2013年: ラルフ・W・ジェラード神経科学賞
• 2014年: APA優秀科学貢献賞
• 2017年：クアッドL賞
• 2017年: MOCAローカルジーニアス賞
• 2018年：米国科学アカデミー^[22]