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[03: ワーキング・メモリーでのニューロンの持続的な発火活動の仕組みは] |
○最近は、今どこにフォーカスされているんですか。
■やっぱりね、主には、あの時間のモデルもそうだけれども、大脳皮質のサーキットかな。例えば、「ワーキング・メモリー」とか−−あなたはその辺も取材されていましたね。
○はい。
■例えばワーキング・メモリーでのニューロンの持続的な発火活動なんかがどういう回路で実現できるか。あるいは、そういった回路が最初からあるわけじゃなくて、何かそれを作りだすメカニズムがあるわけなんだけれども、そういうメカニズムがどのように働くと、自己組織化的にワーキングメモリ回路が形成されるかとかね。さらに形成された回路はどんなシナプス結合の構造をもっていて、その回路で生み出される神経発火の時空間的構造は、大脳皮質の情報表現や処理にどんなふうに関係するのかとか。
○具体的にはどういうことですか。
■あの、そうだな。モデルの話はわかりにくとよく言われるのですが、せっかく来てもらったからある程度、その説明をしましょう。
○お願いします。
■一言で言えば「神経情報表現」に関する問題を手広くやってます。ニューロンはスパイク発火を通して情報を表現したり、伝えたりしているわけです。スパイクというのは、１ミリ秒程度の短い時間幅を持つ電位変化です。模式的に描かれた絵は見たことがあると思います。それぞれ、ばらばらな時間に不規則に発火している場合もあるし、あるいはもう少し規則的な場合もあるでしょう。
○ええ。
■伝統的な考え方では、例えば１秒間にスパイクが何個出たかとか、あるいは１秒じゃ長過ぎるから、100ミリ秒の間に何個出たか、スパイク発火の回数をを数えるのがいわゆる発火率表現というものなんですよね。まあ基本的には、そういったものに情報が載っかっていると考えるんです。
○はい。
■でも最近の研究では同時に複数のニューロンの活動を記録する技術が欧米を中心に開発されてきて、単にスパイク数だけでなく、複数のニューロンから、同期してスパイクが発射されるような状況があることがわかってきているんです。
○同期。
■うん。で、そういった同期が何の役に立っているか、はっきりしたことはまだ分からないんだけど、いろんなところに見られる。さらに一つ一つのスパイクの正確なタイミングにも意味があるとする見方もあります。個人的には発火率とスパイク同期は質的に違う情報を表現していると思ってるんだけど。
だから、まずそういった同期などが回路のダイナミクスによって生成されうる状況とかメカニズムを調べたり、そういう仕事をかなりしてきました。
○それとワーキングメモリーの話の関係は？
■それはなかなか鋭い質問ですね。ワーキング・メモリーも、実際の実験では、多数の神経の活動を同時に見ているわけじゃなくて、普通１個の神経の活動を見ているだけなんですけど、同期した発火が見られるという報告も、少数ですがあります。
少なくとも、何かある情報が保存されていなきゃいけない期間があって、例え刺激の位置とか、色だとか。その情報が必要な間だけ、神経が持続的に発火している必要がある。
○なるほど。情報を持続させるってことはニューロン集団による回路が持続的に発火しているということだから、それは具体的には何をしているのか、ということですね。
■で、じゃあそういう持続発火をね、どうやったら神経回路で作れるだろうかと。で、一番簡単な考え方というか、古典的な考え方というのは、神経細胞がお互いに、興奮性シナプスでつながっていて、それらが互いに自分の発した信号を回していくと。
○再帰的に回していくと。
■そうそう、そうすれば回路全体としてそのアクティビティーが持続できるじゃないかと。で、それは１つの仮説で、そういうモデルがたくさんあるんですよ。で、ただ例えばそういうその仮説に従ったとしても、あの、実際やってみると分かるんだけれども、神経細胞ってそうするとどんどんどんどんこう、強い刺激をお互いにフィードバックしていくと、どんどんどんどん発火頻度が高くなっていってとなっちゃうはずだけど、実際にはそうはならないと。比較的一定の低い発火率のところで保たれている。それは何で起きているのかとかね。
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[04: 持続発火する単体の細胞は何を情報表現しているか] |
■あと最近はね、実はそういう持続発火が回路のレベルじゃなくて、単体のレベルでそういう性質を持っている細胞とかも見つかっているんですよね。
○単体で、ってことは振動みたいな活動をしてるわけですか。
■それはどういう実験かというと、シャーレの中に神経を取り出して実験するんだけれども、例えば１回神経を刺激するとね、ずっと持続的にほぼ一定の発火率で発火しているわけです。もう１回刺激すると、ちょっとだけ持続的にそのあと発火の発火率が上がる。例えば最初５ヘルツだったのが８ヘルツになりましたとか、そんな活動をする。で、もう１回刺激するとまたちょっと上がる。
で、今度は逆に抑制するような、マイナスの電流で刺激してやると、逆に発火率がちょっと下がる。そこでまた安定して、ずっと発火し続ける。
○なるほど。
■そうすると、持続発火は回路がなくてもできる場合があるわけです、あるいはその発火率そのものに何か定量的な情報が−−この場合だったら、たたいた回数みたいな感じだけれども、載っかったりとか−−そういういろんな可能性が出てくるでしょう。
○ええ。
■で、何ていうのかな……。ニューロンが行っている情報表現というのは、実験段階がいろいろ進んでくると、だんだん複雑な仕組みになってくる。
この場合も単に持続発火を作ればいいというだけじゃなくて、持続発火の発火率について定量的な、議論が出てくるわけですね。発火の周波数がいろいろ変化しても持続発火の安定性が保たれるようにとか。そうなると、モデルも複雑なものが必要になってくるということなんですよね。
○はい。
■実際、僕らもそういう単体ニューロンのワーキングメモリのモデルも作っているし、あるいは連続的に調節可能な発火率を持つ持続発火を、回路レベルで今度は実現しようと思って、やっている人もいるんです。実際の脳の中で回路かシングル・セルによるのかというのは、まだちょっと決着がついていない話なんですが。実は、両方あるかもしれないし。
○でもシングル・セルのやつがあるんだったら、シングル・セルでいいじゃんということにはならないんですか。あるいはシングル・セルのやつがいっぱい集まって、一つの機能を為している、とか。
■そこら辺がね、理論的にいろいろな可能性が示せると面白いでしょうね……。
シングル・セルの実験は海馬と密接に結び付いた、嗅内皮質というところがあるんだけど、そこのニューロンを特殊な状況においた場合に見つかっているだけなんですよね。だからね、いわゆるワーキングメモリとかの最中に使う活動としては、問題点もありじゃないかという話もあって。
○と、おっしゃるのは？
■というのは、刺激がすごく長くないといけない。３秒とか４秒とか。強い刺激をそれだけ与え続けると、その刺激が終わった後には発火率が上がっているという感じなんですよ。
だけど行動中のね、例えばワーキングメモリ課題を、サルにさせるときには、視覚刺激が提示されるのは本当にちょっと、ほんのわずかの間ですよね。100ミリ秒とか。４秒も必要ない。
○ええ。
■それでもう十分なわけです。そうすると、そういう現象はシャーレの中ではあるかもしれないけれども、実際には、例えばワーキングメモリなんかには関係していないんじゃないのという議論もたくさんあって。
○ふーん……。
■それから、例えば、ワーキング・メモリーで見られるような持続発火の発火率で情報をコードしているような活動というのは、有名なところでは、金魚のね、眼球の向いている方向をコントロールしている場所でよく知られているんですよ。
○ああ。自分の目がどこを向いているかという情報を短期記憶しておくわけですね。
■うん。そういった研究がいろいろ為されているんだけれども、仕組みについてはやっぱり、まだ回路なのか、単体なのかということは、全然決着がついていなくて、いろんな議論が続いています。各々のメカニズムをサポートする実験結果がどんどん積み上がっているような状態で、全然決着はついていないんですよね。
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[05: 単体ニューロンで長時間持続発火するための細胞モデル] |
○先生はそこにどういう形で切り込んでいかれようとしているんですか。
■最終的にはそのように連続的に発火率が可変になっているようなニューロンで構成される神経回路の持続発火の機能に興味があるんです。
そのためにまずは持続発火のメカニズムについて仮説を立てて、単体ニューロンのモデルを作ったんですよね。で、その仮説の細かいことは、言った方がいいのかな？
○できれば。
■僕らの仮説は、細胞内にはカルシウムストアというのがあるんだけれども、発火を長時間持続させるために、それが本質的に効いているのではないかと――そういう話って聞いたことあります？
○ええ。細胞内にあるカルシウムのストアからカルシウムが放出されることでどうこうという話ですね。それが細胞の生理的機能のスイッチとなって働くと。
■そうです。カルシウムを細胞内で放出するわけですね。ストア内部のカルシウム濃度は非常に高いので、カルシウム濃度が細胞内で著しく変わるわけです。
それが実は、外部刺激とかニューロン自身の発火とかいう活動に依存して、安定な濃度レベルをね、連続的に変えることができれば、実験結果が説明できるんじゃないかということで、モデルを立てたんですよ。
一応モデルの上では、カルシウム−−放出したカルシウムというのは、いつかは細胞の外にも出ていったりするんだけれども、それがまあ、十分効率的に細胞内に回収できれば、つまりストア内のカルシウムが枯渇しないように放出と回収のサイクルが働くならば、確かに安定な濃度が連続可変になることができると。そういうメカニズムで実験結果は説明できるということが、分かったんですよね。
○こういう仕組みがあれば、振動できますよというようなモデルを立てたと。
■そうそう。で、まあ僕ら以外のモデルも何タイプかあってね、まあいろいろ議論がされているという感じなんですけれども。
○実際に、その先生たちがお立てになったモデルに対応するような、実際の実態とか見つかってきているんですか。レセプターとかチャネルのタンパク質とかもろもろのモノは。
■ええとね、そういったものの存在を示す証拠は全部あります。ただそれが、本当に僕らがモデルで仮定したように、組み合わさって１つのダイナミカルなシステムとして働いているかということは、これはまた別の問題で、それを直接的に指し示す証拠までは、まだないですね。
ただ分かっていることは、とにかく何かしらかのメカニズムが働いて、セルの発火率が一定に保たれて、回路がなくても一定に保たれるということが分かっている。で、それが刺激に応じて上がったり下がったりするということも分かっていると、そんな感じなんです。
○なるほど。
○次号へ続く…。
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