場所細胞

場所細胞は海馬にある一種の錐体細胞で、動物が環境内の特定の場所（場所場と呼ばれる）に入ると活性化します。場所細胞は、認知マップと呼ばれる空間内の特定の場所の認知表現として集合的に機能すると考えられています。^{[1]場所細胞は、海馬やその周辺領域にある他の種類のニューロンと連携して、この種の空間処理を実行します。 [2]}場所細胞は、げっ歯類、コウモリ、サル、ヒトなど、さまざまな動物で発見されています。

場所細胞の発火パターンは、視覚的なランドマークや嗅覚刺激、前庭刺激などの環境刺激によって決まることが多い。場所細胞は、発火パターンをあるパターンから別のパターンに突然変更する能力を持っており、この現象は再マッピングと呼ばれる。^[3]この再マッピングは、場所細胞の一部で発生する場合もあれば、すべての場所細胞で同時に発生する場合もある。これは、環境の匂いなど、さまざまな変化によって引き起こされる可能性がある。

場所細胞はエピソード記憶において重要な役割を果たすと考えられています。場所細胞には、記憶が起こった空間的状況に関する情報が含まれています。また、場所細胞は、特定の経験に関係する場所細胞をはるかに速い時間スケールで再活性化するリプレイを示すことで、記憶の統合を行っているようです。場所細胞は、加齢やアルツハイマー病などの病気によって変化し、記憶機能の低下に関係している可能性があります。

2014年のノーベル生理学・医学賞は、場所細胞の発見によりジョン・オキーフに、グリッド細胞の発見によりエドワード・モーザーとメイブリット・モーザーに授与された。^{[4] [5]}

場所細胞は、1971年にジョン・オキーフとジョナサン・ドストロフスキーによってラットの海馬で初めて発見されました。^{[6] [7]}彼らは、海馬に障害のあるラットは空間タスクのパフォーマンスが低いことに気づき、この領域が何らかの環境の空間表現を保持しているに違いないと仮説を立てました。この仮説を検証するために、彼らは慢性的な電極インプラントを開発し、これにより海馬の細胞外の個々の細胞の活動を記録できるようになりました。彼らは、ラットが「特定の方向を向いてテストプラットフォームの特定の部分に位置する」と、いくつかの細胞が活動を示すことに気づきました。^[6]これらの細胞は後に場所細胞と呼ばれるようになりました。

1976年、オキーフは追跡調査を行い、彼らが場所ユニットと呼ぶものの存在を実証した。^[8]これらのユニットは、環境内の特定の場所、つまり場所フィールドで発火する細胞である。ラットが場所フィールドにいないときは安静時の発火率が低い（<1 Hz）が、場所フィールド内では特に発火率が高く、場合によっては100 Hzを超えると説明されている。^{[9]さらに、オキーフは、彼が}ミスプレイスユニットと呼ぶ6つの特別な細胞について説明し、これも特定の場所でのみ発火するが、ラットが嗅ぎ行動などの追加行動を行ったときのみ発火し、これは新しい刺激の存在や予想される刺激の欠如と相関していることが多い。^{[8]この発見は最終的に、海馬が空間表現、つまり環境の}認知マップを保持しているという考えである認知マップ理論を支持するものとなった。^[10]

海馬の場所細胞の機能が環境内のランドマーク、環境の境界、あるいはその両者の相互作用のいずれに依存するかについては、多くの議論がなされてきた。 ^[11]さらに、すべての場所細胞が同じ外部手がかりに依存しているわけではない。手がかりの重要な区別の 1 つは、局所的手がかりと遠位的手がかりであり、局所的手がかりは被験者のすぐ近くに現れるのに対し、遠位的手がかりは遠くにあり、ランドマークのように機能する。個々の場所細胞は、どちらかに従うか、両方に依存することが示されている。^{[12] [13]}さらに、場所細胞が依存する手がかりは、被験者の過去の経験と手がかりの顕著性に依存する可能性がある。^{[14] [15]}

海馬錐体細胞が空間情報だけでなく非空間情報も本当にエンコードしているかどうかについても多くの議論がなされている。認知地図理論によれば、海馬の主な役割は場所細胞を通じて空間情報を保存することであり、海馬は生物学的に被験者に空間情報を提供するように設計されている。^[16]場所細胞が音の周波数などの非空間次元に反応することを示す研究など、最近の知見は認知地図理論に反している。^[17]代わりに、海馬は連続変数をエンコードするより一般的な機能を持っており、場所はたまたまそれらの変数の1つであるという新しい理論を支持している。^[17]これは、海馬が予測機能を持っているという考えと一致している。^{[18] [19]}

場所細胞は嗅内皮質の錐体細胞であるグリッド細胞の派生物であるという説がある。この説は、場所細胞の場所フィールドが、六角形のグリッドのような活動パターンを持ついくつかのグリッド細胞の組み合わせであることを示唆している。この説は計算モデルによって裏付けられている。この関係はヘブ学習によって生じる可能性がある。^[15]しかし、グリッド細胞は、経路統合入力など、場所フィールドの形成において、より補助的な役割を果たす可能性がある。^[20] 海馬機能の別の非空間的説明では、海馬が入力のクラスタリングを実行して、現在のコンテキスト（空間的または非空間的）の表現を生成することを示唆している。^[21]

場所細胞は、場所場と呼ばれる環境の特定の領域で発火する。場所場は、発火領域が環境内の感覚情報の領域に対応するという点で、感覚ニューロンの受容野とほぼ類似している。しかし、受容野とは異なり、場所細胞は地形を示さないため、隣接する 2 つの細胞が必ずしも隣接する場所場を持つわけではない。 ^[22]場所細胞は、場所場内では高頻度でバースト的にスパイクを発火するが、場所場外では比較的不活性のままである。^[23]場所場は他中心的であり、つまり、体ではなく外界を基準に定義される。個人ではなく環境に基づいて方向付けすることにより、場所場は環境の神経地図として効果的に機能することができる。^[24]典型的な場所細胞は、小規模な実験室環境では 1 つまたは少数の場所場しか持たない。しかし、より大規模な環境では、場所細胞は複数の場所場を含むことが示されており、通常は不規則である。^[25]場所細胞は方向性を示す場合もあり、つまり、特定の方向に移動しているときに特定の場所でのみ発火する。^{[8] [26] [27]}

再マッピングとは、被験者が新しい環境、または新しい文脈での同じ環境を経験するときに生じる場所フィールド特性の変化を指します。この現象は 1987 年に初めて報告され、^{[28] [29]}、海馬の記憶機能に役割を果たしていると考えられています。^{[28]再マッピングには、}グローバル再マッピングと部分的再マッピングの 2 つのタイプがあります。^[30]グローバル再マッピングが発生すると、場所細胞のほとんどまたはすべてが再マッピングされます。つまり、場所フィールドが失われたり獲得されたり、場所フィールドの位置が変わったりします。部分的再マッピングとは、ほとんどの場所フィールドは変化せず、場所細胞のごく一部だけが再マッピングされることを意味します。再マッピングを引き起こすことが示されている環境の変化には、環境の形状や大きさの変更、^[29]壁の色、^{[24] [31]}環境の匂い、^{[24] [31]}または場所と現在のタスクの関連性などがあります。^[32]

場所細胞の発火は局所的なシータ波に関連してタイミングが取られ、このプロセスは位相歳差と呼ばれます。^{[33] [34]}場所フィールドに入ると、場所細胞は基礎となるシータ波の位相の特定の時点でバースト的に発火します。しかし、動物が場所フィールドを進むにつれて、発火は位相の早い段階で徐々に起こるようになります。^[33]この現象は場所のコーディングの精度を高め、学習に必要な可塑性を助けると考えられています。^{[33] [34]}

場所細胞が方向性を示す場合、つまり、対象者が特定の方向に移動しているときにのみ、その場所で発火する場合がある。しかし、場所細胞は全方向性である可能性があり、つまり、対象者の方向に関係なく発火する。一部の場所細胞に方向性がないことは、特に貧しい環境で発生する可能性があるが、より複雑な環境では方向性が強化される。^[35]放射状迷路は、方向性が発生する環境の1つである。この環境では、細胞が複数の場所フィールドを持つ場合もあり、そのうちの1つは方向性が強く、他の場所はそうではない。^[35]仮想現実の回廊では、場所細胞集団の方向性の度合いが特に高い。^[36]場所細胞の方向性は、動物の行動の結果として現れることが示されている。たとえば、ラットが直線状のトラックを一方向に移動すると、受容野が歪む。^[37]最近の理論的研究は、場所細胞が現在の状態を予測された後続の状態にマッピングする後続表現をエンコードし、方向性がこの形式主義から現れることを示唆している。^[18]この計算フレームワークは、障害物の周囲の場所場の歪みについても説明しています。^[38]

場所細胞は当初、単純な感覚入力に直接関係して発火すると考えられていたが、研究ではそうではない可能性があることが示唆されている。^[24]場所場は通常、環境からランドマークが除去されるなどの大きな感覚変化の影響を受けませんが、物体の色や形の変化などの微妙な変化には反応します。^[15]これは、場所細胞が単純な個々の感覚刺激ではなく、複雑な刺激に反応することを示唆しています。機能分化モデルによると、感覚情報は実際に構造に到達する前に海馬の上流のさまざまな皮質構造で処理されるため、場所細胞が受け取る情報はさまざまな刺激の集大成、機能的派生物になります。^[24]

場所細胞が受け取る感覚情報は、計量情報または文脈情報のいずれかに分類できます。計量情報は、場所細胞が発火する場所に対応し、文脈入力は、特定の環境で場所フィールドが発火するかどうかに対応します。^[39]計量感覚情報は、2 点間の距離を示す可能性のあるあらゆる種類の空間入力です。たとえば、環境の端は、場所フィールド全体のサイズや、場所フィールド内の 2 点間の距離を示します。計量信号は、線形または方向性のいずれかです。方向性入力は場所フィールドの方向に関する情報を提供しますが、線形入力は基本的に表象グリッドを形成します。文脈手がかりにより、確立された場所フィールドは、オブジェクトの色や形の変化など、環境の小さな変化に適応できます。計量入力と文脈入力は、海馬場所細胞に到達する前に嗅内皮質で一緒に処理されます。視覚空間入力と嗅覚入力は、場所細胞によって利用される感覚入力の例です。これらのタイプの感覚手がかりには、計量情報と文脈情報の両方を含めることができます。^[3]

幾何学的境界や方向を示すランドマークなどの空間手がかりは、測定基準入力の重要な例です。一例として、相対的な距離と位置に関する情報を提供する環境の壁が挙げられます。^[16]場所細胞は一般に、すぐ近くの環境の手がかりよりも設定された遠位の手がかりに依存しますが、^[3]局所的な手がかりも局所的な場所場に対して大きな影響を及ぼす可能性があります。 [ ^{15] [40]視覚感覚入力も重要な}文脈情報を提供することができます。特定の物体や環境の壁の色の変化は、場所細胞が特定の場で発火するかどうかに影響を与える可能性があります。^{[3] [31]}このように、視覚空間感覚情報は場所場の形成と想起に非常に重要です。

場所細胞は主に視覚空間入力に依存しているが、いくつかの研究では嗅覚入力も場所フィールドの形成と安定性に影響を与える可能性があることを示唆している。^{[41] [42] [43]}嗅覚は視覚情報の損失を補う可能性があり、^{[41] [43]}あるいは視覚空間手がかりと同じように安定した場所フィールドの形成に関与している可能性もある。^[44]これは、匂いの勾配で構成された仮想環境での研究によって確認されている。^[45]環境における嗅覚刺激の変化も場所細胞の再マッピングを引き起こす可能性がある。^{[31] [3]}

回転などの前庭系からの刺激は、場所細胞の発火に変化を引き起こす可能性がある。^{[46] [ 47]}前庭入力を受け取った後、いくつかの場所細胞はこの入力に合わせて再マップする可能性があるが、すべての細胞が再マップするわけではなく、視覚的な手がかりに大きく依存する。^{[47] [48]患者の} 両側の前庭系の病変は、放射状迷路やモリス水中ナビゲーション課題などの空間課題の困難さによって部分的に証明されるように、海馬場所細胞の異常な発火を引き起こす可能性がある。^[46]

動きもまた、重要な空間的手がかりとなり得る。マウスは自身の動きの情報を用いて、自分がどのくらいの距離、どの方向に移動したかを判断する。このプロセスは経路統合と呼ばれる。[ ^15]これは特に、連続的な感覚入力がない場合に当てはまる。例えば、視空間入力が欠如している環境では、動物は触覚を使って環境の端を探し、その端からの移動距離に基づいて位置を識別する可能性がある。^[16]経路統合は、主にグリッド細胞によって支援されている。グリッド細胞は、海馬の場所細胞に情報を中継する嗅内皮質のニューロンの一種である。グリッド細胞は場所のグリッド表現を確立するため、移動中、場所細胞は新しい場所に応じて発火しながら、外部環境の参照グリッドに従って方向付けることができる。^[3]

場所細胞はエピソード記憶において重要な役割を果たしている。エピソード記憶の重要な側面の 1 つは、出来事が起こった空間的文脈である。^[49]海馬の場所細胞は、ある場所からの手がかりが取り除かれた場合でも安定した発火パターンを示し、特定の場所フィールドは、以前の場所からの信号または信号のサブセットにさらされると発火し始める。^[50]これは、場所細胞が、記憶が起こった環境の神経表現を想起することによって、記憶の空間的文脈を提供していることを示唆している。^[49]空間的文脈を確立することによって、場所細胞は記憶パターンを完成する役割を果たす。^{[50] [51]}さらに、場所細胞は、ある場所の空間的表現を維持しながら、別の場所の神経マップを想起することができ、現在の経験と過去の記憶を効果的に区別することができる。^[49]したがって、場所細胞は、パターン完成とパターン分離の両方の特性を示すと考えられている。^{[50] [51]}

パターン補完とは、部分的または劣化した感覚手がかりから記憶全体を思い出す能力である。^[51]場所細胞は、ある場所から重要な信号が除去された後でも安定した発火場を維持できるため、元の入力の一部のみに基づいてパターンを思い出すことができる。^[15]さらに、場所細胞が示すパターン補完は対称的であり、記憶全体をそのどの部分からでも取り出すことができる。たとえば、物体と場所の関連記憶では、空間的コンテキストを使用して物体を思い出すことができ、物体を使用して空間的コンテキストを思い出すことができる。^[51]

パターン分離とは、ある記憶を他の記憶から区別する能力である。^[15]パターン分離は、記憶の形成と想起に関与する海馬の一部である歯状回で始まる。 ^[52]歯状回の顆粒細胞は、競合学習を使用して感覚情報を処理し、予備的な表現を中継して場所フィールドを形成する。^[52]場所フィールドは、微妙な感覚信号の変化に応じて再マッピングおよび発火率を調整できるため、非常に特殊である。この特殊性は、記憶を互いに区別するため、パターン分離にとって重要である。^[15]

場所細胞は、しばしばその場所フィールドの外で再活性化を示す。この再活性化は実際の経験よりもはるかに速い時間スケールで起こり、ほとんどの場合、最初に経験したのと同じ順序で起こるが、まれに逆の順序で起こることもある。リプレイは記憶の想起と記憶の固定において機能的な役割を果たしていると考えられている。^[53]しかし、リプレイが妨害されても、必ずしも場所のコーディングに影響を与えるわけではなく、つまり、リプレイはあらゆる状況で固定化に必須というわけではない。^[54]同じ一連の活動が実際の経験の前に起こることもある。この現象はプレプレイと呼ばれ、^[55]予測^[56]と学習^[57]に役割を果たしている可能性がある。

場所細胞は最初にラットで発見されましたが、その後、場所細胞と場所のような細胞は、げっ歯類、コウモリ、霊長類を含むさまざまな動物で発見されました。^{[58] [59] [60]}さらに、2003年に人間の場所細胞の証拠が発見されました。^{[60] [61]}

ラットとマウスはどちらも場所細胞の研究のためのモデル動物としてよく使われます。^[60]ラットは、多数の細胞を同時に記録できるマルチアレイ電極の開発後に特に人気が高まりました。^[62]しかし、マウスにはより広範囲の遺伝子変異を利用できるという利点があります。^{[60] [63]}さらに、マウスは頭部を固定できるため、顕微鏡技術を使用して脳を直接観察することができます。^[64]ラットとマウスの場所細胞のダイナミクスは似ていますが、マウスの場所細胞はより小さく、同じサイズのトラックで細胞あたりの場所フィールドの数が増えています。さらに、ラットの再生と比較して、その再生は弱いです。^[63]

ネズミやマウスに加えて、チンチラにも場所細胞が発見されている。^{[60] [65]}

さらにネズミは、他のネズミの位置をコード化する社会的場所細胞を持っています。この発見は、コウモリの社会的場所細胞の報告と同時にサイエンス誌に掲載されました。 ^{[66] [67]}

エジプトのオオコウモリに場所細胞があることは、2007年にナフム・ウラノフスキーと彼の研究室によって初めて報告された。^{[60] [68] [69]}コウモリの場所細胞は3Dの場所フィールドを持っているが、これはコウモリが3次元で飛行するためだと考えられる。^{[70] [69]}コウモリの場所細胞は視覚またはエコーロケーションのいずれかに基づいており、コウモリが2つを切り替えると再マッピングが行われる。^[71]コウモリには社会的場所細胞もあり、この発見はラットの社会的場所細胞の報告と同時にサイエンス誌に掲載された。^{[72] [73]}

場所に関連する反応はニホンザルやコモンマーモセットの細胞で見つかっているが、これらが真の場所細胞なのか空間視覚細胞なのかは依然として議論の的となっている。^[60]空間視覚細胞は、サルの体の位置ではなく、目の動きによって視覚的に探索された場所、つまり「空間の眺め」に反応する。^[74]ニホンザルでは、サルが実験室の周りをモーター付きタクシーで運転している間に細胞が記録された。^[75]さらに、場所に関連する反応は、仮想現実の中を移動しているときにも見つかっている。^[59]最近では、自由に動き回るニホンザルやマーモ​​セットの海馬で場所細胞が特定された可能性がある。^{[76] [77]}

エタノール曝露後、場所細胞の発火率は劇的に減少し、空間感度の低下を引き起こし、これがアルコール曝露後の空間進行の障害の原因であると仮説が立てられている。^[78]

空間記憶とナビゲーションの問題は、アルツハイマー病の初期兆候の1つであると考えられています。^[79]アルツハイマー病のマウスモデルでは場所細胞が変性することが示されており、これがこれらのマウスの空間記憶に問題を引き起こします。^[80]さらに、これらのモデルの場所細胞は空間の表現が不安定で、^[81]健康なマウスの場所細胞と同様に新しい環境の安定した表現を学習できません。^[82]位相歳差などを通じて場所細胞の発火に影響を与える海馬シータ波とガンマ波も影響を受けます。^[81]

場所場特性（発火率やスパイクの幅や振幅などのスパイク特性を含む）は、若いラットと老齢ラットの海馬CA1領域でほぼ同様である。しかし、海馬CA3領域の場所場の大きさは若いラットと老齢ラットで同じであるが、この領域の平均発火率は老齢ラットの方が高い。若いラットは場所場可塑性を示す。つまり、直線経路に沿って移動しているとき、場所場は次々に活性化される。若いラットが同じ直線経路を繰り返し横断すると、可塑性により場所場間の接続が強化され、後続の場所場がより速く発火して場所場が拡大し、若いラットの空間記憶と学習を助ける可能性がある。しかし、この観察された場所場の拡大と可塑性は老齢ラットでは低下し、空間学習と記憶の能力が低下する可能性がある。^[83]

この可塑性は、高齢ラットにメマンチンを投与することで回復させることができる。メマンチンは、空間記憶を改善することが知られているNMDA受容体を阻害する拮抗薬であり、そのため高齢被験者における場所場可塑性の回復に使用された。グルタミン酸受容体であるNMDA受容体は、高齢被験者では活動が低下する。メマンチンを投与すると、高齢ラット被験者における場所場可塑性の増加がみられる。^{[84]メマンチンは高齢ラット被験者における空間情報の}符号化プロセスを助けるが、後になってこの情報を検索する際には役立たない。

さらに、高齢ラットはCA1領域の場所細胞に高い不安定性を示す。同じ環境に数回さらされると、環境の海馬マップは約30％の時間で変化し、場所細胞がまったく同じ環境に応じて再マッピングしていることを示唆している。^[84]対照的に、高齢被験者ではCA3場所細胞の可塑性が高まっている。CA3領域の同じ場所フィールドは同様の環境で活性化するが、若いラットでは異なる場所フィールドが同様の環境で発火する。これは、環境の微妙な違いを感知するためである。 ^[84]これらの可塑性の変化の原因として考えられるのは、自己運動の手がかりへの依存度が高まったことである。^[84]

• 空間視覚細胞、霊長類の海馬の視野に相当するもの。
• グリッドセル
• 頭の方向細胞
• 成人の体内の異なる細胞タイプのリスト

• ウィキメディア・コモンズの場所細胞に関連するメディア