適応力は不可欠なスキルであることで科学者の意見は一致しているものの、行動の変化を可能にするために脳内で具体的に何が起きているのかは不明なままでした。
ここでは神経科学者が、脳がどのように情報を処理しているのか、またこの機能が損なわれると何が起きるのかについての研究を解説します。
研究チームは、前頭前皮質に存在する特殊な神経細胞のクラスを発見しました。この神経細胞は柔軟な行動を可能にする一方、機能不全に陥ると統合失調症や双極性障害などの病態につながる可能性があります。
研究者らによると、これらの長距離抑制性結合を標的とする治療法は、統合失調症の人々の認知機能の改善に役立つ可能性があるとのことです。
世界が変化する中で柔軟に振る舞い、適応することを学ぶことは、日々実践していることです。新しい工事現場に出くわして通勤経路を変更しなければならない場合や、新しいストリーミングアプリをダウンロードして好きな番組の探し方を覚え直さなければならない場合など、新しい状況に応じて慣れた行動を変えることは不可欠なスキルです。
こうした適応を行うために、脳は「前頭前皮質」と呼ばれる構造の中で活動パターンを変化させます。前頭前皮質は、注意、計画、意思決定といった認知機能に欠かせない脳の領域です。しかし、行動を変えるために前頭前皮質に活動パターンを更新するよう「指示」する特定の神経回路が何であるかは、これまで不明でした。
私たちはチームで、 神経科学者です。脳がどのように情報を処理しているのか、またこの機能が損なわれると何が起きるのかを研究しています。新たに発表した研究では、前頭前皮質に存在する特殊な神経細胞のクラスを発見しました。この神経細胞は柔軟な行動を可能にする一方、機能不全に陥ると統合失調症や双極性障害などの病態につながる可能性があります。
抑制性神経細胞と新しいルールの学習
抑制性神経細胞は、脳内の他の神経細胞の活動を抑制します。研究者はこれまで、その電気信号や化学信号は近くの神経細胞にのみ送られると考えてきました。しかし私たちは、前頭前皮質に存在する特定の抑制性神経細胞のクラスが、脳の反対側の半球にある神経細胞へと長距離にわたって信号を伝達していることを発見しました。
私たちは、これらの長距離抑制性結合が、左右の前頭前皮質にわたる活動パターンの変化の調整に関与しているのではないかと考えました。そうすることで、適切な瞬間に行動を変えるために必要な重要なシグナルを提供している可能性があります。
これらの長距離抑制性結合の機能を検証するため、マウスが報酬を得るためにルールを学習し、その後報酬を得続けるために新しいルールに適応することを求められる課題を観察しました。この課題では、マウスは器の中を掘って隠された餌を探します。当初は、ニンニクの匂いや器の中の砂の存在が隠された餌の場所を示していました。その後、報酬と関連する特定の手がかりが変化し、マウスは新しいルールを学習せざるを得なくなります。
左右の前頭前皮質の間にある長距離抑制性結合を抑制すると、マウスは行き詰まり(同じルールに固執する反復的行動)を起こし、新しいルールを学習できなくなることが分かりました。マウスは態勢を切り替えることができず、古い手がかりはもはや意味をなさず、新しい手がかりが餌を示しているということを学習できませんでした。
脳波と柔軟な行動
私たちはまた、これらの長距離抑制性結合がどのように行動の柔軟性を生み出すのかについて、驚くべき発見もしました。具体的には、これらの結合は、両半球にわたって「脳波」と呼ばれる一連のリズムを同期させます。そのガンマ振動は、脳活動の中で毎秒約40回発生するリズミカルな変動です。こうした変動は、情報を記憶に保持する必要がある課題や、コンピュータ画面に映る内容に基づいて異なる動作を行う課題など、多くの認知機能の際に検出することができます。
科学者たちはガンマ振動の存在を数十年にわたって観察してきましたが、その機能については議論が続いてきました。多くの研究者は、異なる脳領域にわたるこれらのリズミカルな変動の同期は有用な目的を果たさないと考えています。一方で、異なる脳領域間の同期によって、それらの領域間の通信が強化されるのではないかと推測する研究者もいます。
私たちは、ガンマ同期の全く異なる潜在的な役割を発見しました。長距離抑制性結合が左右の前頭前皮質にわたってガンマ振動を同期させると、それらはまた、両者間の通信を制御するようにも見えます。マウスが、もはや報酬につながらなくなった既に確立されたルールを無視することを学習すると、これらの結合はガンマ振動を同期させ、一方の半球がもう一方の半球で不要な活動パターンを維持し続けることを止めるように見えます。言い換えれば、長距離抑制性結合は、一方の半球からの入力が、新しいことを学習しようとしている他方の半球の「邪魔をする」ことを止めるように見えます。
例えば、左の前頭前皮質は、右の前頭前皮質に対していつもの通勤経路を「思い出させる」ことができます。しかし、長距離抑制性結合がこの二つの領域を同期させると、これらの「思い出させる」信号を遮断し、新しい通勤経路に対応する新たな脳活動パターンが定着することを可能にするようにも見えます。
最後に、これらの長距離抑制性結合は、また、長期的な効果を引き起こすことも分かりました。これらの結合を一度だけ遮断しただけで、数日後にマウスが新しいルールを学習することに困難を抱えるようになりました。逆に、これらの結合をリズミカルに刺激してガンマ振動を人為的に同期させると、こうした欠陥を逆転させ、正常な学習を回復させることができました。
認知的柔軟性と統合失調症
長距離抑制性結合は、認知的柔軟性において重要な役割を果たしています。以前に学習したルールを適切に更新できないことは、認知障害の特徴的な形態の一つであり、統合失調症や双極性障害などの精神疾患に見られます。
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研究では、また、ガンマ同期の欠陥や、私たちが研究した種類を含む前頭前野の抑制性神経細胞のクラスの異常が、統合失調症の人々において見られることも示されています。この文脈において、私たちの研究は、これらの長距離抑制性結合を標的とする治療法が、ガンマ振動の同期によって統合失調症の人々の認知機能の改善に役立つ可能性があることを示唆しています。
これらの結合が脳回路にどのように影響するかについては、多くの詳細がいまだ不明です。例えば、前頭前皮質内のどの細胞が、これらの長距離抑制性結合からの入力を受け取り、新しいルールを学習するために活動パターンを変化させるのかは、正確には分かっていません。また、神経活動の長期的な変化を生み出す特定の分子経路が存在するかどうかも分かっていません。これらの疑問に答えることで、脳が古い情報の維持と更新をどのように柔軟に切り替えているのかが明らかになり、統合失調症やその他の精神疾患に対する新たな治療法につながる可能性があります。
