新発見！脳の記憶回路が練習で変化するメカニズム

ロックフェラー大学の神経生物学および生物物理学の研究室を率いるヴァジリ博士は、「この研究は、作業記憶—脳が情報を保持し処理する能力—が練習によってどのように改善されるかを示しています。この知見は、学習や記憶の理解を深めるだけでなく、記憶関連の障害に対処するための示唆も含んでいます」と述べています。

記憶の安定化

作業記憶は多くの認知機能に不可欠ですが、記憶の形成、保持、想起のメカニズム—以前に行ったタスクを再学習せずに実行できる能力—は長期的には不明確なままでした。今回の研究では、研究者らは作業記憶の表現が時間と共にどのように安定するのか、またこれらの表現がタスクを上手に実行する能力にどのように関与するのかを観察しようとしました。そのために、マウスが特定のタスクを学習し専門家になるまでの比較的長期間にわたり、ニューロン集団を繰り返し記録する必要がありました。

しかし、これには大きな課題がありました。技術的な制約により、脳全体のニューロン活動をリアルタイムで長期間かつ皮質の任意の深さでイメージングすることが難しかったのです。

UCLAの研究者らは、ヴァジリ博士に協力を求めました。彼が開発した脳イメージング技術は、マウス皮質の大部分を高解像度かつ高速度でリアルタイムに捉えることができる数少ないツールの一つです。

ニューロンの変容

今回の研究では、研究者らはLBM（ライトビーズ顕微鏡法）を用いて、マウスの皮質のさまざまな深さで73,000個のニューロンの細胞活動を同時にイメージングし、2週間にわたって同じニューロンの活動を追跡しました。その結果、作業記憶回路はマウスが適切な順序をマスターするにつれて変化しました。最初は不安定だった回路が、タスクを繰り返し練習することで徐々に安定し、固まりました。

「これを『結晶化』と呼んでいます」とヴァジリ博士は言います。「この発見は、反復練習がスキルの熟練度を向上させるだけでなく、脳の記憶回路に深い変化をもたらし、パフォーマンスをより正確かつ自動的にすることを示しています。」

共著者でUCLA Healthの神経学者であるペイマン・ゴルシャニ博士（Peyman Golshani, MD, PhD）は、「脳がタスクを実行する際に発するメロディーが日々変わっていたが、タスクを練習するにつれてメロディーがますます洗練され、似てくる様子を想像してください」と付け加えました。

未来の展望

LBMの大規模かつ深部組織イメージング能力により、研究者らはこれまでの標準的な2光子イメージングでは見られなかった記憶の結晶化を観察することができました。将来的には、さまざまなニューロン細胞タイプがこのメカニズムにどのように関与しているのか、特に抑制性細胞と興奮性細胞の相互作用に注目したいと考えています。また、学習がどのように実施され、新しいコンテクストに転送されるのか—すなわち、脳が学習したタスクから新しい未知の問題にどのように一般化できるのかを理解することにも興味があります。

この研究は、練習が脳の作業記憶回路にどのように影響を与えるかを示しています。反復練習により、ニューロンの活動が不安定な状態から安定した状態に変化し、パフォーマンスが向上することが明らかになりました。この発見は、学習や記憶の理解を深めるだけでなく、記憶関連の障害への新たなアプローチを提供する可能性があります。脳科学の分野における重要な一歩となるでしょう。
写真：アリパシャ・バジリ博士（Alipasha Vaziri, PhD）と彼が開発したライトビーズ顕微鏡（LBM）イメージング技術。LBMはすでに、既存のイメージング・ツールでは不可能だったいくつかの重要な発見を可能にしている。 (Matthew Septimus)

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