シータ波

シータ波は、多くの動物の学習、記憶、空間ナビゲーションなど、認知と行動のさまざまな側面の基礎となる脳内の神経振動であるシータリズムを生成します。 ^{[1] [2]これは、脳内または頭皮に取り付けた電極から記録される}脳波（EEG）などのさまざまな電気生理学的方法を使用して記録できます。

少なくとも 2 種類のシータリズムが説明されています。海馬シータリズムは、げっ歯類、ウサギ、犬、猫、有袋類など、 多くの哺乳類の海馬やその他の脳構造で観察される強力な振動です。 「皮質シータリズム」は、通常、人間から記録される頭皮 EEG の低周波成分です。シータリズムは、 EEGLABやNeurophysiological Biomarker Toolbox (NBT) などの無料で利用できるツールボックスを使用して、定量的脳波記録 (qEEG)で定量化できます。

ラットでは、海馬でシータ波の律動性が容易に観察されるが、他の多くの皮質および皮質下脳構造でも検出できる。 6～10  Hzの周波数範囲を持つ海馬シータ波は、ラットが歩行や探索的な嗅ぎ回りなどの能動的な運動行動を行っているとき、およびレム睡眠中に現れる。^[3]通常は6～7 Hz程度のより低い周波数範囲のシータ波は、ラットが動かないが警戒しているときに時々観察される。 ラットが食事中、毛づくろい中、または睡眠中の場合、海馬脳波は通常、大規模不規則活動またはLIAと呼ばれる非律動パターンを示す。 海馬シータリズムは、内側中隔領域からの投射に大きく依存しており、内側中隔領域は視床下部およびいくつかの脳幹領域からの入力を受け取る。 他の種の海馬シータリズムは、ラットのものといくつかの点で異なる。猫やウサギでは、周波数範囲は低く（約 4～6 Hz）、ネズミほどシータ波は動きと関連していません。コウモリでは、シータ波はエコーロケーションに関連する短いバーストとして現れます。

ヒトでは、海馬シータリズムが観察されており、記憶形成^{[4] [5]}やナビゲーション^[6]と関連しています。ラットと同様に、ヒトはレム睡眠中に海馬シータ波活動を示します。^[7]ヒトはまた、レム睡眠中に主に皮質シータ波活動を示します。^[8]眠気の増加は、アルファ波の パワーの低下とシータ波のパワーの増加に関連しています。^[8] 瞑想はシータパワーを増加させることが示されています。^[9]

海馬シータリズムの機能は、はっきりとは解明されていない。この現象に関する最初の主要な研究で、グリーンとアルドゥイニは、海馬シータは通常、大脳新皮質で非同期の脳波とともに発生することに注目し、覚醒に関連していると提唱した。ヴァンダーウルフと彼の同僚は、シータと運動行動の強い関係性に注目し、それが感覚運動処理に関連していると主張した。ジョン・オキーフ率いる別の学派は、シータは動物が環境内で自分の位置を追跡するために使用するメカニズムの一部であると示唆した。別の理論では、シータリズムは学習と記憶のメカニズムに関連している (Hasselmo、2005)。この理論では、シータ波は符号化メカニズムと想起メカニズムのスイッチとして機能する可能性があり、げっ歯類^[10]とヒト^[11]の実験データがこの考えを支持している。ヒトに関する別の研究では、シータ振動が海馬の高周波ガンマ活動と相互作用すると、記憶機能 (符号化または想起) を決定することが示された。^[12]これらの発見は、シータ振動が他の振動リズムとの相互作用で記憶の形成と想起をサポートするという考えを支持するものである。発火パターンがナビゲーションと記憶の両方をサポートできることが示されたため、これらのさまざまな理論はその後統合された。^[13]

人間の脳波研究では、シータという用語は、その発生源に関係なく、4～7 Hzの範囲の周波数成分を指します。皮質シータは幼児によく見られます。^[14] 年長児や成人では、瞑想中、眠気、催眠状態、睡眠中に現れる傾向がありますが、睡眠の最も深い段階では現れません。中前頭皮質からのシータは、特に認知制御に関連しており、これらのシータ信号の変化は、複数の精神疾患や神経発達障害で発見されています。^[15]

以前にもいくつかのヒントはあったが、海馬 EEG の規則的な低速振動についての最初の明確な記述は、ユングとコルンミュラー (1938) がドイツ語で書いた論文から得られた。彼らはこれらの初期の観察をフォローアップすることができず、1954 年にジョン D. グリーンとアルナルド アルドゥイニによる非常に徹底した研究で初めてさらなる情報が得られ、猫、ウサギ、サルの海馬振動の基本的な特性が明らかにされた (Green and Arduini, 1954)。彼らの研究結果は、当時神経科学で最もホットな話題であった覚醒と海馬の活動を関連付けたこともあり、幅広い関心を呼んだ。グリーンとアルドゥイニは、海馬と皮質の活動パターンの間には逆の関係があり、海馬の律動性は皮質の非同期活動と並行して発生し、一方、不規則な海馬活動パターンは皮質 EEG の大きな低速波の出現と相関していることを説明した。

その後の 10 年間で、シータ波の薬理学と生理学を調査する実験が大量に行われました。1965 年までに、チャールズ スタンフは、数百の出版物を引用した「海馬の電気活動に対する薬物の作用」の長いレビューを書き上げました (スタンフ、1965)。また、1964 年には、この時期にこの分野のリーダーを務めたジョン グリーンが、海馬の電気生理学に関する広範かつ詳細なレビューを書き上げました (グリーン、1964)。大きな貢献を果たしたのは、ウィーンで研究していた研究者のグループで、スタンフやヴォルフガング ペッチェなどです。彼らは、海馬の電気活動を制御する内側中隔の重要な役割を確立し、内側中隔が影響を及ぼす経路のいくつかを解明しました。

歴史的な偶然により、「シータリズム」という用語は、「海馬シータ」と「人間の皮質シータ」という 2 つの異なる現象を指すのに使用されています。これらは両方とも振動する EEG パターンですが、「シータ」という名前以外に共通点はあまりないかもしれません。

1920 年代に遡る最も古いEEG文献では、ギリシャ文字のアルファ、ベータ、シータ、ガンマが、特定の周波数範囲に該当する EEG 波を分類するために使用されていました。「シータ」は一般に、1 秒あたり約 4 ～ 7 サイクル (Hz) の範囲を意味します。1930 年代から 1950 年代にかけて、猫とウサギの海馬で非常に強いリズミカルな振動パターンが発見されました(Green & Arduini、1954)。これらの種では、海馬の振動は主に 4 ～ 6 Hz の周波数範囲に収まったため、「シータ」振動と呼ばれました。その後、同じタイプの海馬振動がラットで観察されましたが、ラットの海馬 EEG 振動の周波数は平均約 8 Hz で、6 Hz を下回ることはほとんどありませんでした。したがって、厳密に言えば、ラットの海馬 EEG 振動は「シータ リズム」と呼ばれるべきではありませんでした。しかし、「シータ」という用語はすでに海馬の振動と非常に強く結びついていたため、ラットに対しても引き続き使用されていました。長年にわたり、この結びつきは特定の周波数範囲との元々の結びつきよりも強くなりましたが、元々の意味も残っています。

したがって、「シータ」は次の 2 つの意味のいずれかになります。

1. 海馬およびそれに関連する他のいくつかの脳領域に見られる特定の種類の規則的な振動。
2. 脳のどこで発生するか、またはその機能的意義が何であるかに関係なく、4～7 Hz の周波数範囲の EEG 振動。

最初の意味は、通常、ラットやマウスを扱う文献で意図されていますが、2 番目の意味は、通常、頭皮に貼り付けた電極を使用して記録された人間の EEG の研究で意図されています。一般に、人間の EEG における「シータ」の観察が「海馬シータリズム」と何らかの関係があると想定するのは安全ではありません。頭皮 EEG は、ほぼ完全に大脳皮質によって生成され、特定の周波数範囲に該当する場合でも、これが海馬に機能的に依存していることを示すものとは見なされません。

海馬は神経層の密度が高いため、脳構造の中でも最大級の EEG 信号を生成します。状況によっては、EEG は 4～10 Hz の規則的な波に支配され、多くの場合、数秒間続きます。この EEG パターンは、海馬シータリズムとして知られています。また、シータが存在しない場合に海馬 EEG で通常支配的な大きな不規則活動(LIA)と対比して、律動的低速活動(RSA) とも呼ばれています。

ラットでは、海馬シータは主に2つの状況で見られます。1つ目は、動物が走っているとき、歩いているとき、または他の方法で周囲と積極的に相互作用しているとき、2つ目はレム睡眠中です。^[16]シータ波の周波数は走行速度の関数として増加し、最低速度では約6.5 Hzから始まり、最高速度では約9 Hzまで増加しますが、広い隙間を飛び越えるなど、短時間の高速運動ではより高い周波数が見られる場合もあります。より大きな種の動物では、シータ周波数は一般的に低くなります。行動依存性も種によって異なるようで、猫とウサギでは、シータは動かない警戒状態でよく見られます。これはラットでも報告されていますが、ラットが恐怖を感じているときだけです (Sainsbury et al., 1987)。

シータ波は海馬だけに限定されるものではありません。ラットでは、海馬と強く相互作用するほぼすべての部分を含む、脳の多くの部分で観察されます。リズムの生成は内側中隔領域に依存します。この領域はシータリズムを示すすべての領域に投射し、この領域を破壊すると脳全体のシータ波が消失します (Stewart & Fox、1990)。

1975 年に Kramis、Bland、および Vanderwolf は、ラットには行動的および薬理学的特性が異なる 2 つの異なるタイプの海馬シータリズムが存在すると提唱しました (Kramis ら、1975)。彼らによると、タイプ 1 (「アトロピン抵抗性」) シータは、歩行およびその他のタイプの「自発的」行動中および REM 睡眠中に現れ、周波数は通常約 8 Hz で、抗コリン薬アトロピンの影響を受けません。タイプ 2 (「アトロピン感受性」) シータは、不動時およびウレタンによる麻酔中に現れ、周波数は 4～7 Hz の範囲で、アトロピンの投与によって除去されます。その後の多くの調査により、海馬シータは 2 つのタイプに分けられるという一般的な概念が裏付けられていますが、各タイプの正確な特性については議論があります。タイプ 2 シータは、麻酔をかけていないラットでは比較的まれです。動物が運動の準備をしているがまだ運動を実行していないときに短時間見られることがありますが、猫やフェレットなどの捕食者が近くにいるために動けない状態にある動物でのみ、長時間にわたって見られることが報告されています (Sainsbury ら、1987)。

ヴァンダーウルフ (1969) は、動物が何をしているかに基づいて海馬 EEG にシータが存在するかどうかを予測できると強く主張しました。走る、跳ぶ、バーを押す、嗅ぎ回るなどの活動的な動きは確実にシータと関連しており、食べる、毛づくろいなどの不活動な状態は LIA と関連しています。その後の研究では、シータは動きが始まる数百ミリ秒前に始まることが多く、動きによって生じるフィードバックではなく、動く意図と関連していることが示されました (Whishaw & Vanderwolf、1973)。動物が速く走るほど、シータ周波数が高くなります。ラットでは、最も遅い動きでは約 6.5 Hz、最も速い動きでは約 9 Hz の周波数が発生しますが、大きなジャンプなどの非常に激しい動きの間は、より速い振動が短時間観察されることがあります。

多数の研究により、内側中隔領域が海馬シータ波の生成に中心的な役割を果たしていることが示されています (Stewart & Fox, 1990)。内側中隔領域を損傷するか、薬剤で不活性化すると、タイプ 1 とタイプ 2 の両方のシータ波が除去されます。特定の条件下では、中隔入力がない場合でも海馬または嗅内皮質細胞でシータ波のような振動が誘発されますが、これは無傷で薬剤を投与されていない成体ラットでは発生しません。重要な中隔領域には、内側中隔核とブローカ斜帯の垂直脚が含まれます。海馬出力の主な受容部である外側中隔核は、シータ波の生成に必須の役割を果たしていない可能性があります。

内側中隔領域は、海馬のすべての部分、嗅内皮質、嗅周囲皮質、後板状皮質、視床下部の内側乳頭核と乳頭上核、視床前核、扁桃体、下丘、およびいくつかの脳幹核など、シータ変調を示す多数の脳領域に投射しています (Buzsáki、2002)。内側中隔領域からの投射の一部はコリン作動性であり、残りは GABA 作動性またはグルタミン酸作動性です。コリン作動性受容体はシータ波の生成に関与できるほど迅速に反応しないため、GABA 作動性および/またはグルタミン酸作動性の信号 (Ujfalussy および Kiss、2006) が中心的な役割を果たしているに違いないというのが一般的な主張です。

主要な研究課題は、シータリズムの「ペースメーカー」、つまり振動周波数を決定するメカニズムを発見することです。答えはまだ完全には明らかではありませんが、タイプ 1 シータとタイプ 2 シータは異なるペースメーカーに依存しているという証拠がいくつかあります。タイプ 2 シータの場合、視床下部の乳頭上核が制御を行っているようです (Kirk、1998)。タイプ 1 シータの場合、状況はまだはっきりしていませんが、最も広く受け入れられている仮説では、周波数は内側中隔領域と海馬を含むフィードバック ループによって決定されると提唱されています (Wang、2002)。

海馬および嗅内皮質ニューロンのいくつかのタイプは、刺激を受けるとシータ周波数の膜電位振動を発生する能力があります。通常、これらは膜電位におけるナトリウム依存性電圧感受性振動であり、活動電位電圧に近い電圧で発生します(Alonso & Llinás, 1989)。具体的には、CA1および歯状回のニューロンでは、これらの振動は持続ナトリウム電流 ( I _{NaP ) による}樹状突起の興奮と細胞体周囲抑制の相互作用から生じているようです (Buzsáki, 2002)。

一般的に、EEG 信号は、層状に配列されたニューロンの樹状突起への同期シナプス入力によって生成されます。海馬には、歯状回とCA3/CA1 /海馬台状層という非常に密集したニューロンの層が複数含まれているため、強力な EEG 信号を生成する可能性があります。基本的な EEG 理論では、ニューロンの層が EEG 信号を生成すると、信号は常にあるレベルで位相が反転します。したがって、生成層の上と下の部位から記録されたシータ波は、反対の符号を持ちます。他の複雑な点もあります。海馬層は大きく湾曲しており、シータ変調入力は複数の経路から海馬層に作用し、位相関係が異なります。これらすべての要因の結果、シータ振動の位相と振幅は、海馬内の位置の関数として非常に複雑に変化します。しかし、最も大きなシータ波は、一般的に、CA1 分子層と歯状回分子層を分ける溝の付近から記録されます。ラットでは、これらの信号は振幅が 1ミリボルトを超えることがよくあります。海馬の上部から記録されたシータ波はより小さく、溝信号に対して極性が反転しています。

最も強いシータ波は CA1 層で生成され、その最も重要な入力は、直接 EC→CA1 経路を介して嗅内皮質から来ます。もう 1 つの重要な駆動力は、嗅内皮質入力とは位相がずれている CA3→CA1 投射から来ており、CA1 内の深さの関数として徐々に位相がシフトします (Brankack ら、1993 年)。歯状回もシータ波を生成しますが、振幅がかなり小さいため CA1 波と区別するのは困難です。ただし、歯状回シータは通常 CA1 シータと約 90 度位相がずれていることを示す証拠があります。隔壁領域から海馬介在ニューロンへの直接投射もシータ波の生成に役割を果たしますが、その影響は嗅内皮質入力 (ただし、嗅内皮質自体は隔壁によって制御されます) の影響よりもはるかに小さいです。

海馬から発生するシータ周波数活動は、短期記憶課題の一部で明らかになります (Vertes、2005)。研究によると、これらのリズムは海馬の「オンライン」状態、つまり入ってくる信号を処理する準備ができている状態を反映しているようです (Buzsáki、2002)。逆に、シータ振動はラットのさまざまな自発的行動 (探索、空間ナビゲーションなど) や警戒状態 (鳥肌など) と相関関係にあることが示されており (Vanderwolf、1969)、感覚情報と運動出力の統合を反映している可能性が示唆されています (レビューについては、Bland & Oddie、2001 を参照)。シータリズムは空間学習とナビゲーションに関係している可能性が高いことを示す証拠が多数あります (Buzsáki、2005)。

げっ歯類の 海馬と嗅内皮質では、学習と記憶の想起中にシータリズムが非常に強く、学習と記憶の潜在的な細胞メカニズムである長期増強の誘導に不可欠であると考えられています。海馬のシータ波に沿った位相歳差運動により、予期される出来事や最近の出来事を表す神経信号が、単一のシータ周期に沿って実際に起こっている出来事の隣に配置され、複数のシータ周期にわたって繰り返されます。このメカニズムにより、長期増強(LTP) によって、記憶シーケンスの後続の要素を表す海馬のニューロン間の接続が強化されると考えられています。^[17]実際、シータ周波数での刺激が海馬のLTPの誘導に最適であることが示唆されています。^[18]電気生理学的研究から、シナプス可塑性と海馬CA1領域への入力の強度は、進行中のシータ振動とともに系統的に変化するという証拠に基づいて（Hyman et al., 2003; Brankack et al., 1993）、シータリズムは、現在の感覚刺激のエンコード期間と、現在の刺激によって促されたエピソード記憶の再生期間を分離し、エンコードと再生が同時に行われた場合に発生する干渉を回避するように機能することが示唆されている。

人間以外の動物では、EEG 信号は通常、脳に埋め込まれた電極を使用して記録されます。シータ研究の大部分は、海馬に埋め込まれた電極を使用して行われてきました。人間の場合、一部の神経学的患者を除いて侵襲的研究は倫理的に許可されていないため、大多数の EEG 研究は頭皮に貼り付けた電極を使用して行われてきました。頭皮電極によって受信される信号は比較的小さく拡散しており、ほとんどすべてが大脳皮質から発生します。海馬は小さすぎて深く埋もれているため、認識できる頭皮 EEG 信号を生成することができません。人間の EEG 記録は、状況によっては明確なシータ律動を示しますが、技術的な困難さのため、これらの信号が他の種から記録された海馬シータ信号と何らかの関係があるかどうかを判断するのは困難でした。

ラットでは、多くの部位に埋め込まれた電極を使用して長時間のシータ振動が容易に観察されるのに対し、霊長類では皮質内電極が利用可能であっても、シータを正確に特定することは困難でした。Green と Arduini (1954) は、シータリズムの先駆的な研究で、サルにおける不規則なシータの短時間のバーストのみを報告しました。他の研究者も同様の結果を報告していますが、Stewart と Fox (1991) は、ウレタン麻酔したマカクザルとリスザルの海馬における明確な 7～9 Hz のシータリズムについて説明しました。これは、ウレタン麻酔したラットで観察されるタイプ 2 シータに似ています。

ヒトの海馬シータ波に関する入手可能な情報のほとんどは、治療計画の一環として頭蓋内に電極を埋め込んだてんかん患者を対象とした少数の小規模研究から得られています。これらの研究のうち最大規模かつ最も体系的な研究で、Canteroら(2003) は、海馬と大脳新皮質の両方から 4～7 Hz の周波数範囲の振動を記録できることを発見しました。海馬の振動は、レム睡眠および睡眠から覚醒への移行に関連しており、通常は 1 秒未満の短いバーストで発生しました。皮質のシータ波は、睡眠からの移行中および静かな覚醒中に観察されましたが、著者らは海馬と皮質のシータ波の間に相関関係を見つけることができず、2 つのプロセスはおそらく独立したメカニズムによって制御されていると結論付けました。

研究では、催眠状態はシータ波活動の強化やガンマ波活動の変化と関連していることが示されています（Jensen et al., 2015）。また、人間では「無思考」瞑想中にシータ波の増加が見られました。^{[19] [20]}

シータ振動は、通常 4～7 Hz の周波数範囲内で定義され、学習や認知制御などのさまざまな認知プロセスで重要な役割を果たします。研究により、これらの振動は、記憶のエンコードと検索、感情の調整、認知タスクの維持と密接に関連していることがわかっています。

シータ活動は、新しい情報のエンコードや記憶の想起と関連している。特に、研究では、能動的な記憶を必要とするタスク中にシータ振動が増加することが示唆されている。例えば、空間記憶タスク中に単一ニューロンのシータ位相ロックが観察されており、これは、シータ波に関連したニューロン発火のタイミングが、効果的な記憶処理に重要であることを示唆している。^[21] この現象は、学習を促進するために神経活動を組織化する上でシータリズムが重要であることを強調している。

認知制御の文脈では、シータ振動はタスクルールと刺激と行動の関連の維持を反映していると考えられています。研究によると、認知制御タスク中、意思決定と行動制御に重要な前頭脳領域でシータ振幅の増加が観察されます。具体的には、シータ活動は、変化する環境要求と内部目標に基づいて個人が行動を適応できるようにするメカニズムをサポートすると考えられています。シータ振動と認知制御プロセスのこの動的な相互作用は、これらの脳リズムが効率的なタスクパフォ​​ーマンスにどのように貢献するかを浮き彫りにしています。^[22]。さらに、非侵襲性脳刺激を使用した研究では、認知制御要求の予測中に前頭前野でシータ振動が因果関係にあることが実証されています。^[23]

要約すると、シータ振動は学習と認知制御の両方の基礎となる基本的な神経メカニズムとして機能し、環境の課題に応じた情報処理と適応行動の組織化を促進します。

• てんかん

• デルタ波— (0.1～3 Hz)
• シータ波 — (4～8 Hz)
• アルファ波— (8～15 Hz)
• ミュー波— (7.5–12.5 Hz)
• SMR波— (12.5～15.5 Hz)
• ベータ波— (16–31 Hz)
• ガンマ波— (32–100 Hz)

• シータ脳波活動の脳スライスモデル