睡眠は私たちの生活において非常に重要であり、私たちは人生のかなりの時間を睡眠に費やします。睡眠によって、脳を含む身体は代謝面で回復しますが、近年の研究は、睡眠が脳や行動にもたらす回復的な役割よりも、活動的な役割に注目するようになっています。
睡眠はいくつかの異なる段階から成ります。そのうち徐波睡眠（または深い睡眠）とレム睡眠の二つは、脳活動のパターンが大きく異なり、それぞれ異なる認知過程に関連づけられています。
徐波睡眠では、新皮質のニューロンが毎秒0.5回から3回というゆっくりした速度で発火し、同期した活動を示します。新皮質は脳の大脳皮質の大部分を占め、記憶、思考、言語、意識に関与しています。これに対し、夢の大半が生じるレム睡眠中は、ニューロンの発火は速く、毎秒30回から80回というはるかに高い頻度で同期します。
レム睡眠中のこうした脳活動のパターンは、覚醒時に見られるものを思わせます。そのため、レム睡眠はしばしば「逆説睡眠」と呼ばれます。
認知機能
徐波睡眠が記憶の固定に関連し、最近の経験を符号化する海馬から情報を移し、新皮質内に長期的な結びつきを形成する過程に関与するという 証拠が増えています 。レム睡眠は、経験の抽象化や一般化に関わる過程と 関連づけられており 、創造的な発見や問題解決能力の向上につながります。
覚醒とレム睡眠にはかなりの類似点があるものの、 数多くの研究 が、これらの状態における脳領域の活動の違いを調べてきました。その結果、帯状皮質、海馬、扁桃体は、覚醒時よりレム睡眠中のほうが活発であることが示されています。これらの領域は、感情の調節や感情記憶に関わる重要な部位であるため、認知神経科学者にとって特に関心の対象です。
しかし、こうした広範な皮質領域や辺縁系領域のうち、どの下位領域が活動しているのか、つまり脳内でこのような活性化パターンを生み出す経路は何か、またレム睡眠中にこれらの領域が活動する正確な機能は何かについては、現在のところ十分に記述されていません。
ラットの皮質活動
Science Advancesに掲載された 新たな研究では、ラットの一群を対象にレム睡眠の生理学的特性と機能を調べ、皮質活動と、それを生み出す皮質下経路について知見を示しています。この研究の詳細さは、レム睡眠が脳や認知行動に及ぼす影響への理解を大きく前進させるものです。
研究者らは、睡眠は許されるものの、3日間レム睡眠に入れないようにしたラット群を調べました。評価の6時間前に、ラットの半数は通常どおり眠れるようにし、残りの半数は引き続きレム睡眠を制限しました。通常どおり眠ることを許されたラットは、その6時間の間にレム睡眠の水準が上昇しました。これにより、直近のレム睡眠がもたらす影響を群間で比較できました。別の対照群のラットは、研究期間を通じて通常どおり眠ることを許されました。
遺伝子発現解析では、特定の遺伝子が働いた結果として確認できる特定のmRNAやタンパク質の存在を追跡します。検査前にかなりのレム睡眠を経験したラットでは、シナプス可塑性（局所環境の変化にシナプスがどれだけ速く適応できるか）に関連し、海馬における神経伝達の効率に影響する複数の遺伝子の発現が高いことが確認されました。
新皮質では、シナプスがどれほど適応できるかに関係する遺伝子発現もレム睡眠後に増加しましたが、神経伝達に関係するものは、レム睡眠を妨げられた群と比べて低下しました。したがって、レム睡眠の機能は、ニューロン間の情報伝達の仕方に変化をもたらすことによるものと考えられます。これは、レム睡眠によって脳の記憶処理システムのバランスが再調整され、翌日に経験に効果的に対応できるようになるという見方と一致しています。
脳のどこで起きるのか？
マカクザルの体性感覚皮質の染色ニューロン。
Brainmaps.org、 CC BY
続く研究では、同じ研究グループが、こうした変化が脳内のどこで実際に起きるのかを特定しました。新皮質では、感覚機能と運動機能を統合する感覚運動領域を含む複数の領域にわたり、可塑性が全般的に高まりました。海馬では、変化は概して歯状回に限られていました。歯状回は、とりわけ新たなエピソード記憶の形成に寄与すると 考えられています 。また、レム睡眠は新皮質の多くの領域で神経伝達の低下と関連していました。これは、レム睡眠がシナプス間の結びつきを全般的に弱める可能性を示しており、その結果、脳のネットワークは単一の出来事だけに左右されず、複数の経験からよりよく学べるようになるのかもしれません。
前障：感情と記憶の統合。
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研究グループが行った最後の研究では、レム睡眠中に可塑性と神経伝達に生じる皮質の変化の起点を特定しました。異なる脳領域間の信号伝達を追跡するとともに、化学的損傷（脳領域を一時的に不活性化する方法）を用いて、前障と乳頭上核という二つの領域がレム睡眠中に重要な役割を担うことを明らかにしました。
この二つの領域は、感情と記憶の統合に関与することが 明らかになっています 。前障は、新皮質の内側の下に位置する非常に薄いニューロン層です。脳のこの部分にある非常に多くの領域と相互につながっていることが知られています。そのため、前障は複数の感覚からの刺激の統合に関与すると考えられており、感情処理や注意に関わる領域同士を結びつける役割も担っています。
海馬内にある乳頭上核も、脳の複数の領域と相互につながっており、そのうちいくつかは感情処理に関連することが知られています。
この研究の知見は、レム睡眠が、感情処理に寄与する脳領域の活性化とシナプス処理を調整するという見方を裏づける証拠をもたらします。また、レム睡眠は記憶の符号化に重要だが、感情的な内容は符号化しないという、これまで検証されていなかった説明とも一致しています。レム睡眠中の夢の役割は、脳内の神経化学物質に観察される影響とまだ結びつけられていませんが、夢を見ているときに脳内で何が起きているかを理解することは、感情や記憶の処理にとって重要であることが明らかになるかもしれません。
この記事は、 The Conversationとの協力により掲載されています。 元の記事を読む。
記事の掲載は、世界経済フォーラムがその見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：パドレイク・モナハンは、ランカスター大学の認知学教授です。
画像：ペルーのリマで開催された国連気候変動会議COP 20の本会議の休憩中に休息する代表者たち。REUTERS/Enrique Castro-Mendivil
