グリッドセル

グリッド細胞は、動物が開けた場所を移動する際に一定の間隔で発火する内嗅皮質内のニューロンの一種で、位置、距離、方向に関する情報を保存および統合することで、空間における自分の位置を理解することを可能にします。 ^{[ 1 ]}グリッド細胞は、ラット^{[ 1 ]}、マウス^{[ 2} ] 、コウモリ[3 ^]、サル^{[ 4 ]}、ヒト^{[ 5 ] [ 6 ]}など、多くの動物で発見され^ています。

グリッド細胞は、2005 年にノルウェーの記憶生物学センター(CBM) のエドヴァルド・モーザー、メイ・ブリット・モーザー、および彼らの学生であるトルケル・ハフティング、マリアンネ・フィン、ストゥルラ・モルデンによって発見されました。彼らは、脳内の位置システムを構成する細胞の発見により、ジョン・オキーフとともに2014 年のノーベル生理学・医学賞を受賞しました。空間発火フィールドの配置は、すべて隣接するフィールドから等距離にあり、これらの細胞がユークリッド空間の神経表現を符号化しているという仮説につながりました。^{[ 1 ]}この発見はまた、位置と方向に関する継続的に更新される情報に基づいて自己位置を動的に計算するメカニズムを示唆しました。

典型的なラット実験でグリッド細胞の活動を検出するには、単一ニューロンの活動を記録できる微小電極を背内側嗅内皮質に埋め込み、ラットがオープンアリーナ内を自由に動き回る際の記録を収集します。得られたデータは、ニューロンが活動電位を発火するたびにアリーナの地図上にラットの位置をマークすることで視覚化できます。これらのマークは時間とともに蓄積され、小さなクラスターの集合を形成し、それが正三角形のグリッドの頂点となります。この規則的な三角形のパターンによって、グリッド細胞は空間発火を示す他の種類の細胞と区別されます。対照的に、ラットの海馬の場所細胞を同じ方法で調べた場合、マークは特定の環境ではしばしば1つのクラスター（1つの「場所フィールド」）しか形成せず、複数のクラスターが見られる場合でも、その配置に目立った規則性はありません。

1971年、ジョン・オキーフとジョナサン・ドストロフスキーは、ラットの海馬に場所細胞を発見したと報告した。場所細胞とは、動物が特定の小さな空間領域（細胞の場所フィールドと呼ばれる）を通過するときに活動電位を発火する細胞である。 ^{[ 7 ]} この発見は、当初は議論を呼んだものの、一連の研究につながり、1978年にオキーフと彼の同僚リン・ネイデルによる『認知地図としての海馬』（1971年の論文のタイトルにも登場したフレーズ）という本の出版に至った。 ^{[ 8 ]}この本では、心理学者エドワード・C・トルマンが仮説を立てたように、海馬の神経ネットワークが認知地図を具現化していると主張した。この理論は大きな関心を集め、空間記憶と空間ナビゲーションにおける海馬の役割を明らかにすることを目的とした数百の実験的研究を促した。

内嗅皮質は海馬への入力の大部分を占めているため、内嗅皮質ニューロンの空間発火特性を理解することが明らかに重要でした。 Quirkら(1992) などの初期の研究では、内嗅皮質のニューロンは比較的大きくてぼやけた場所フィールドを持つと記述されていました。^{[ 9 ]} しかし、Moser らは、内嗅皮質の別の部分から記録を行えば、異なる結果が得られる可能性があると考えました。内嗅皮質は、ラットの脳の後縁に沿って腹側から背側まで走る組織の帯です。解剖学的研究では、内嗅皮質の異なる領域が海馬の異なるレベルに投射することが示されていました。EC の背側端は背側海馬に、腹側端は腹側海馬に投射します。^{[ 10 ]} これは、背側海馬の場所細胞は腹側レベルの細胞よりもかなりシャープな場所フィールドを持つことがいくつかの研究で示されていたため、関連性がありました。^{[ 11 ]} しかし、2004 年以前の嗅内皮質の空間活動に関するすべての研究は、EC の腹側端近くに埋め込まれた電極を使用していました。そこで、モーザー夫妻は、マリアンヌ・フィン、ストゥルラ・モルデン、メノ・ウィッターとともに、嗅内皮質の異なる背側から腹側レベルからの空間発火を調べ始めました。彼らは、内側嗅内皮質 (MEC) の背側部分では、細胞は海馬のように明確に定義された場所フィールドを持っていましたが、細胞は複数の場所で発火していました。^{[ 12 ]}発火フィールドの配置は規則性の兆候を示していましたが、この研究では環境のサイズが小さすぎて空間周期性が見えませんでした。

2005年に報告された次の実験では、より大きな環境が使用され、細胞が実際には六角形のグリッドパターンで発火していることが認識されました。^{[ 1 ]}この研究では、背側から腹側にかけて同様のレベルのMECの細胞は、グリッドの間隔とグリッドの向きが似ているものの、グリッドの位相（グリッドの頂点のx軸とy軸に対するオフセット）は細胞間でランダムに分布しているように見えることが示されました。周期的な発火パターンは、ランドマークの配置とは無関係に、暗闇でも目に見えるランドマークが存在する場合でも、また動物の速度と方向の変化とは無関係に発現し、著者らはグリッド細胞が動物の位置の経路積分依存の動的計算を発現していると示唆しました。

グリッド細胞の発見により、メイ＝ブリット・モーザーとエドヴァルド・モーザーは、ジョン・オキーフとともに2014年のノーベル生理学・医学賞を受賞した。

グリッド細胞は、自由に動き回る動物が、ほぼ等しい大きさで周期的な三角形配列で配置され、利用可能な環境全体を覆う一連の小さな領域（発火野）を通過するときに発火するニューロンです。^{[ 1 ]}この発火パターンを持つ細胞は、背側尾側内側嗅内皮質（dMEC） のすべての層で見つかっていますが、異なる層の細胞は他の点で異なる傾向があります。第II層には、動物がグリッド位置を通過する方向に関係なく均等に発火するという意味で、純粋なグリッド細胞が最も高密度に存在します。より深い層のグリッド細胞は、結合細胞および頭部方向細胞と混在しています（つまり、第III、V、VI層には、動物が特定の方向を向いているときにのみ発火するグリッド状のパターンを持つ細胞があります）。^{[ 13 ]}

互いに隣接するグリッド細胞（つまり、同じ電極から記録された細胞）は通常、同じグリッド間隔と向きを示しますが、グリッドの頂点は明らかにランダムなオフセットによって互いにずれています。しかし、互いに離れた別々の電極から記録された細胞は、通常、異なるグリッド間隔を示します。腹側（MECの背側境界から遠い）に位置する細胞は、一般的に各グリッド頂点でより大きな発火フィールドを持ち、それに応じてグリッド頂点間の間隔も大きくなります。^{[ 1 ]} グリッド間隔の全範囲は十分に確立されていません。最初の報告では、MECの最も背側の部分（上部25%）全体でグリッド間隔が約2倍の範囲（39  cmから73  cm）であると記述されていますが、^{[ 1 ]}腹側の領域ではかなり大きなグリッドスケールが示唆されています。Brunら(2008)は、18メートルのトラックを走るラットの複数のレベルからグリッド細胞を記録し、グリッド間隔が 背側で最も背側の位置では約25cmから腹側で最も腹側の位置では約3mまで拡大することを発見した。^{[ 14 ]} これらの記録は腹側先端までの3/4までしか及んでいないため、さらに大きなグリッドが存在する可能性がある。このようなマルチスケール表現は、情報理論的に望ましいことが示されている。^{[ 15 ]}

グリッド細胞の活動には視覚的な入力は必要ない。なぜなら、環境内のすべての照明が消灯しても、グリッドパターンは変化しないからである。

グリッド細胞の発火パターンは、経験や環境の幾何学によっても変化します。Barry、Hayman、Burgess、Jeffery（2007）は、動物が異なるサイズの環境で繰り返しテストされると、グリッドのスケールと間隔が囲いのサイズに応じて再スケーリングされることを示しました^{[ 16 ]。}また、Barry、Ginzberg、O'Keefe、Burgessによる2012年の研究では、動物が新しい環境に遭遇すると、環境の新規性を示すためにグリッドが一時的に拡大することが分かりました^{[ 17 ]}。囲いの幾何学的偏極は、パターンの六角形の対称性をさらに乱し、グリッドが固定された内部テンプレートによって課せられるのではなく、環境の幾何学によって形作られていることを示唆しています^{[ 18 ] 。 [ 1 ]} しかし、視覚的な手がかりが存在する場合、グリッドの配置を強く制御します。円筒の壁でキューカードを回転させると、グリッドパターンが同じ量だけ回転します。^{[ 1 ]} 動物が新しい環境に初めて入ったときにグリッドパターンが現れ、その後は通常安定した状態を保ちます。^{[ 1 ]} 動物がまったく異なる環境に移動しても、グリッドセルはグリッド間隔を維持し、隣接するセルのグリッドは相対的なオフセットを維持します。^{[ 1 ]}

ラットを別の環境に移すと、海馬の場所細胞の空間活動パターンは通常「完全な再マッピング」を示します。つまり、場所フィールドのパターンは、元の環境のパターンとは検出可能な類似性がない方法で再編成されます。^{[ 19 ]} しかし、環境の特徴がそれほど劇的に変化しない場合、場所フィールドのパターンは「レート再マッピング」と呼ばれる、より小さな変化を示す可能性があります。この場合、多くの細胞は発火率を変化させますが、大部分の細胞は以前と同じ場所に場所フィールドを保持します。これは、海馬と内嗅皮質の細胞の同時記録を使用して調べられ、海馬がレート再マッピングを示す状況では、グリッド細胞の発火パターンは変化しないのに対し、海馬が完全な再マッピングを示す場合、グリッド細胞の発火パターンは予測不可能なシフトと回転を示すことがわかりました。^{[ 20 ]}

海馬系のほぼすべての部分の神経活動は、ラットでは約 6〜9 Hz の周波数範囲を持つ海馬シータリズム によって変調されます。内嗅皮質も例外ではありません。海馬と同様に、シータの中枢制御器である内側中隔領域からコリン作動性およびGABA 作動性の入力を受け取ります。グリッド細胞は、海馬の場所細胞と同様に、強いシータ変調を示します。 ^{[ 1 ]} MEC の第 II 層のグリッド細胞は、位相プレセッション、つまり動物がグリッドの頂点を通過する際にスパイク活動がシータサイクルの後期から前期に前進するという点で、海馬の場所細胞に似ています。グリッド細胞活動の最近のモデルは、星状細胞で構成される1 次元のアトラクターネットワークの存在を仮定することで、この位相プレセッションを説明しました。^{[ 21 ]}第 III 層のグリッド細胞のほとんどはプレセッションしませんが、スパイク活動はシータサイクルの半分にほぼ限定されています。グリッド細胞の位相プレセッションは海馬に由来するものではない。なぜなら、GABAアゴニストによって海馬が不活性化された動物でも引き続き出現するからである。^{[ 22 ]}

多くの哺乳類は、視覚、聴覚、嗅覚、触覚の手がかりがなくても、動きを統合することで空間位置を追跡することができます。この能力は文献では経路統合と呼ばれています。ニューラルネットワークによって経路統合が実行されるメカニズムについては、多くの理論モデルが検討してきました。SamsonovichとMcNaughton（1997）^{[ 23 ]}やBurakとFiete（2009）^{[ 24 ]}などのほとんどのモデルでは、主な要素は（1）位置の内部表現、（2）移動の速度と方向の内部表現、（3）動物が移動するときにエンコードされた位置を適切な量だけシフトするメカニズムです。MECの細胞は位置（グリッド細胞^{[ 1 ]}）と動き（頭部方向細胞と方向結合位置細胞^{[ 13 ]}）に関する情報をエンコードするため、この領域は現在、脳内で経路統合が行われる場所として最も有望な候補と考えられています。しかし、ヒトでは内嗅皮質が経路統合に必要ではないように見えるため、この問題は未解決のままである。^{[ 25 ]} BurakとFiete（2009）は、グリッド細胞システムの計算シミュレーションが、高い精度で経路統合を実行できることを示した。^{[ 24 ]}しかし、より最近の理論的研究では、グリッド細胞は空間処理とは必ずしも関係のない、より一般的なノイズ除去プロセスを実行する可能性があることが示唆されている。^{[ 26 ]}

Haftingら（2005）^{[ 1 ]}は、場所コードが内嗅皮質で計算され、海馬に送られることで、記憶の形成に必要な場所と出来事の関連付けが行われる可能性があると示唆した。

海馬の場所細胞とは対照的に、グリッド細胞は規則的な間隔で複数の発火野を持ち、六角形のパターンで環境を網羅する。グリッド細胞の特異な特性は以下のとおりである。

1. グリッドセルは、環境全体に発火場が分散している（環境の特定の領域に限定されるプレイスフィールドとは対照的である）。
2. 発射領域は六角形の格子状に配置されています
3. 射撃フィールドは一般的に等間隔に配置されており、1つの射撃フィールドから隣接する6つの射撃フィールドまでの距離はほぼ同じです（ただし、環境のサイズが変更されると、フィールド間隔は方向によって異なる縮小または拡大する場合があります。Barry et al. 2007）。
4. 射撃フィールドは等間隔に配置されており、隣接する6つのフィールドは約60度間隔で配置されている。

グリッドセルは外部のランドマークに固定されているが、暗闇の中でも存在し続けることから、グリッドセルは自己運動に基づく空間環境マップの一部である可能性が示唆される。

2018年、DeepMindの研究者たちはCaswell Barryと共同で、人工リカレントニューラルネットワークにおけるグリッドセル様表現の最初の実証を報告した。ネットワークが経路積分を実行するように訓練されると、六角形の空間発火を持つユニットが自発的に出現し、これらの表現を備えた人工エージェントは、それらを持たないエージェントよりも効率的な経路を計画することができた。^{[ 27 ]}

グリッドセルと、 JPEG圧縮における画像の重ね合わせられた離散コサイン基底関数への分解との間には、収斂進化の類似性が存在すると主張されてきた。この解釈によれば、すべてのグリッドセルの共同活動により、動物の地形が最適に圧縮される。その結果、「グリッドセル、さらには同じスケールのグリッドセルのモジュールでさえ、孤立した実体として機能するのではなく、むしろ多くのグリッドスケールにわたって情報を統合し、動物の空間的位置の独自の圧縮表現を形成する」ことになる。^{[ 28 ]}

• 境界細胞は2008年に発見された。
• 成人の人体に存在する様々な細胞の種類の一覧

• Mosers Group は、 2019年4月15日にWayback Machineにアーカイブされました。
• グリッドセルの動画