海馬リプレイ

海馬リプレイは、ラット、マウス、^[1]、 ネコ、ウサギ、^[2]、 鳴禽類^[3]、サル^[4]で観察される現象です。睡眠中または覚醒休息 中に、リプレイとは、活動中にも発生した一連の細胞活性化の再発生を指しますが、リプレイの時間スケールははるかに高速です。同じ順序になることもあれば、逆の場合もあります。実際の活動の前に一連の活性化が発生するケースも見つかりましたが、それでも同じ順序です。これをプレプレイと呼びます。

この現象は主に、記憶と空間ナビゲーションに関連する脳領域である海馬で観察されています。具体的には、この動作を示す細胞は場所細胞であり、動物が空間内の特定の場所にあるときに確実に活動が増加するという特徴があります。ナビゲーション中、場所細胞は動物の経路に応じて順番に発火します。再生インスタンスでは、細胞は同じ空間経路に反応したかのように活性化されますが、動物が実際に移動した速度よりもはるかに速い速度で活性化されます。

1989 年にこの現象を初めて調査した研究の時点で、場所細胞の活動はすでに確立されていました。 ^{[5]彼らは、}睡眠中の単一の場所細胞の神経活動が覚醒状態の活動に似ていることを示しました。この活動は他の細胞の活動よりも大きく、この研究は再生を理解するための第一歩に過ぎませんでした。その後の研究では、大規模な細胞群も睡眠中にこの種の活動の増加を示したことが示されました。さらに、場所細胞の活動の順序も睡眠中に複製されることが発見されました。^[6]運動中に海馬で観察された 3 つ以上のニューロンの発火シーケンスは、前の睡眠中よりも後続の徐波睡眠中に選択的に再発する可能性が高いことが示され、シーケンスの再生は高周波振動中に圧縮されました。^[7]リップルと呼ばれるこれらの高周波フィールド振動は睡眠状態で観察され、後に記憶の固定に因果関係があることが示されました。^{[8] [9]}

次のステップは、覚醒状態でのリプレイの発見でした。最初の発見から10年後の1999年に、覚醒状態での神経記録にもリプレイ活動があることが示されました。^[10]覚醒状態でこの活動を検出するのはかなり難しく、ベイズ復号化を含むいくつかの方法が、短波リップル中に発生するリプレイイベントを定量化するために使用されてきました。^[11]最近の進歩には、リプレイが逆方向に発生する可能性があることの発見^[12]と、異なる環境でも発生することが判明したことが含まれます。^[13]これらの異なる条件と環境における記憶の統合におけるリプレイの役割はまだ研究中であり、いくつかの理論がこの疑問に答えようとしています。

リプレイは、いくつかの異なる行動、生理学的、環境的条件下で発生する可能性があります。覚醒状態と睡眠状態の最初の区別は、記憶の固定における異なる役割を表している可能性があります。睡眠状態では、環境の活動に類似した波及イベントと場所細胞の活動がリプレイイベントを定義します。睡眠状態では、REM（急速眼球運動）とSWS（徐波睡眠）の区別もあり、これがリプレイイベントに影響を及ぼします。^{[14] [15]} SWS中、場所細胞はリプレイを示し、おそらく記憶の固定を示す順番に発火します。ただし、人間が夢を見るREM睡眠中にもリプレイイベントが発生し、夢における場所細胞の役割の可能性を示唆しています。

覚醒状態でも同じ活動が起こるが、検出がより難しく、動物は休息状態にあるに違いない。最後に、覚醒した動物には再生イベントのための環境がたくさんある。トラックの長さは短くても長くても、場所細胞の集団によって再生される。^[16]さらに、単一の環境の再生は、動物がその環境にいるときでも、異なる環境にいるときでも起こり得る。^{[17] [18]}これは、記憶の統合がいくつかの異なるタイプの環境と行動条件で起こる可能性がある持続的なプロセスであることを示しているのかもしれない。再生イベントの堅牢性は、このプロセスの重要性を示している。

前述のように、動物が活性化された経路を実際に通過する前の休息期間中に、場所場に応じた海馬場所細胞の順次活性化が、たとえ動物が以前にその経路を経験したことがなくても起こる可能性がある。^[19]これは、休息中の海馬の活性化が記憶の統合と検索だけでなく、計画にも機能する可能性があることを示唆している。つまり、将来の出来事の 符号化を改善するためのネットワークの組織化に貢献しているのだ。

感覚刺激はリプレイイベントを誘発したり、リプレイを強化したりすることがある: ^[20]覚醒状態では、リプレイは現在の場所から始まり、時間的に前方または後方に続くことが多く、近くの場所は、遠くの場所よりもリプレイを示すニューロンの場所フィールドである可能性が高くなります。これは、感覚入力が類似または関連する記憶の検索をトリガーする、手がかり記憶検索に似ています。手がかりとなった場所細胞が動物の現在の場所に加えて、異なる環境内の場所を表す場合、手がかりは異なる環境でのリプレイをトリガーすることさえあります。

いくつかの研究から、リプレイは海馬だけで起こるのではないことがわかってきている。リプレイは、デフォルトモードネットワークの皮質領域における一貫した活動と関連づけられている。^[21]学習後、同様のリプレイイベントが視床と皮質の両方で発生した。^[22]さらに、視覚皮質は、離散的な時間領域に調整され、海馬の活動と同時に発生した集団活動を示した。^[23]海馬と皮質の同時再活性化は、記憶の固定には皮質の入出力が必要であることを示しているのかもしれない。この仮説は、固定後の記憶の回復に皮質が不可欠な役割を果たすという考えとよく一致する。したがって、海馬のリプレイは海馬と皮質の間の情報伝達の役割を果たしているのかもしれないが、この考えにはさらなる検証が必要である。

覚醒状態での海馬の再生は、再生イベント後のナビゲーションタスクのパフォーマンスと相関関係にあると示唆されているが、実証されていない。 ^[24]再生は空間位置に関連する記憶の固定に役割を果たす可能性があるが、^{[25]再生と記憶の固定の明確な因果関係はまだ証明されていない。さらに、再生は}記憶の回復にも関連しているようである。再生は、記憶の回復を誘発する手がかりによって活性化され、過去の選択の結果に基づいて軌道を計画するなど、再生が必要な状況で活性化される。この関係もまだ相関関係にすぎないが、記憶の回復を成功させるために再生が必要であることを示す証拠を示す研究がある。^[26]

リプレイは記憶の強化と認知マップの構築の両方に関与している可能性が高い。また、リプレイは価値マップの生成と維持にも重要な役割を果たす可能性が高い。価値マップとは、記憶がその価値に応じて強化される認知マップの一種である。^[27]

ラットの脳内で起こっている出来事の海馬での再生パターンをモニターする研究で、ラットは日常生活で長期の再生可能な記憶に大きく依存していることが判明した。動物が本当に記憶を保持できるかどうかを判断するために、科学者は一連のエピソードイベント（一連のトンネル、迷路、曲がりくねった道など）を設定し、ラットが新しい環境を一周するときのニューロン活動を視覚化した。化学遺伝学的活性化薬クロザピンN-オキシド（CNO）は、ラットの海馬の両側に、デザイナードラッグ（DREADD; AAV8-hSyn-hM4Di-mCherry）によってのみ活性化される阻害性デザイナー受容体を含む組み換えウイルスベクターを事前に注入した場合、エピソード記憶の再生を可逆的に阻害するが、ビヒクルは阻害しない。対照的に、2つの非エピソード記憶評価はCNOの影響を受けず、この海馬依存性障害の選択性を示している。^[28]