人間の学習にはニューロンが発火するタイミングと脳波の「ズレ」が関係しているかもしれない

脳の研究者は長年にわたり、神経細胞(ニューロン)が活動電位に達する「発火」を脳活動の尺度として扱ってきました。ところが、アメリカの研究チームが発表した新たな論文では、ニューロンが発火する頻度だけでなく、「発火するタイミング」が脳において重要な役割を果たしている可能性が示唆されています。

Phase precession in the human hippocampus and entorhinal cortex: Cell
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00496-7

A New Kind of Information-Coding Seen in the Human Brain | Quanta Magazine
https://www.quantamagazine.org/a-new-kind-of-information-coding-seen-in-the-human-brain-20210707/

ライフサイエンス分野における最高峰の学術誌・Cellに投稿された論文の共著者であり、コロンビア大学で脳の研究を行っているJoshua Jacobs准教授は、「本当に重要なのはどれほどニューロンの活動が起きるかではなく、正確にいつ起きるのかです」と述べています。

以前から、脳波の継続的な増減とニューロン発火のタイミングが関連する現象は、海馬にある場所細胞において確認されていました。場所細胞は動物が特定の場所(場所受容野)を通過する時に発火するニューロンであり、環境の変化によって場所受容野は柔軟に変化するとのこと。ミシガン大学の神経科学者であるKamran Diba氏は、ヒトの脳は高速道路であろうと自宅であろうと、現在の環境に合わせて場所受容野を調整していると述べています。

特定の場所受容野には特定の場所細胞が対応しており、場所受容野の中心へ向かうに従って対応する場所細胞の発火が速くなります。そして、中心から離れるにつれて発火が遅くなり、やがて別の場所受容野に入ると、新たな対応する場所細胞が発火を始めるとのこと。

しかし、場所受容野の中心に向かう際に変化するのは発火の速さだけではなく、海馬で4Hz～8Hzの一貫したリズムで現れるシータ波に対するリズムも変化することが知られています。場所受容野の中心に近づくに従い、シータ波に対する場所細胞の発火タイミングの位相が前進するとのこと。これは「シータ位相歳差」と呼ばれる現象であり、シータ波の位相と場所細胞の発火タイミングとの関連を調べることにより、動物が場所受容野の中心に近づいているのか、それとも遠ざかっているのかを判定できるとのこと。

これまでのところ、場所細胞におけるシータ位相歳差は、マウス・コウモリ・マーモセットなどで確認されています。ところがヒトにおいては、ニューロン発火の監視が侵襲的な方法でないと難しいこともあり、明確なパターンが確認できていなかったそうです。そこで研究チームは、既にてんかん発作の電気信号をマッピングするために電極が埋め込まれている13人のてんかん患者から収集されたデータを用いて、シータ位相歳差について分析しました。なお、このデータは患者がジョイスティックを動かしてVR空間の中を動き回っている間、電極で個々のニューロン発火について観測したものだったとのこと。

データを分析した結果、監視されていたニューロンの12％において、シータ位相歳差が確認できたと研究チームは報告しています。ヒトの脳波はげっ歯類よりも複雑であり、場所のナビゲーションに専念する神経活動も少なかったため、シータ位相歳差を検出するには高度な統計分析が必要だったそうです。

動物がある場所受容野から別の場所受容野へ移動する際、シータ位相歳差によって最初の場所受容野に関連する最後のニューロン発火が遅れる一方、次の場所受容野における最初のニューロン発火が早まるため、2つのニューロン発火はほぼ同じ時間に発生するとのこと。この現象が2つのニューロンのシナプスを強化し、動物が移動するルートを脳に染みこませる役にたっていると考えられています。また、近年ではシータ位相歳差が時間や画像の認識にも関わっているとの研究結果も発表されており、脳が空間的位置を認識するのと同じ方法で時間や画像を関連付けている可能性が示唆されています。

論文の筆頭著者であるコロンビア大学のSalman Qasim氏は、シータ位相歳差が哺乳類全体で普遍的な、情報のコーディングメカニズムである可能性があると主張。「神経活動の相対的なタイミングを追跡していないと、多くの情報コーディングが不足するかもしれません」と述べました。

長年にわたり、ヒトが物事を学ぶにはシナプスの強化が重要だと考えられてきましたが、ヒトは必ずしも人工知能の訓練のように膨大な学習データを必要とせず、ほんの少数の事例から学習することが可能です。シータ位相歳差が学習に関連していると考えることで、脳が迅速に情報を学習する理由が説明できるかもしれないと期待されています。