脳の夜遊び(Nightlife of the brain)

米国のNSF(National Science Foundation/全米科学財団/国立科学財団)は2023年06月30日に、エレノア・ジョンソン(Eleanor Johnson)は、夜、私たちが安らかに休んでいる間も、脳は懸命に働いている。
その日に経験した出来事を処理し、記憶に定着させると同時に、身の回りで起こっていることを把握し、毒素を浄化し、次の日に備えていると報告した。

脳の内部構造の多くはまだ謎に包まれている。
しかし、私たちが心地よく眠っている間に、脳は外界からどれだけのことを処理しているのだろうか？
脳は環境を完全に遮断することはなく、常につながりを作っていることが判明した。

NSFが実施したいくつかの研究では、睡眠中に脳が情報を処理するさまざまな方法が発見されている。
さらに、これらの研究により、学習効果を高める方法や、神経疾患のいくつかの特徴に対する治療法が見つかるかもしれない。

睡眠中の聴覚

テルアビブ大学(Tel Aviv University)とUCLA(カリフォルニア大学ロサンゼルス校)の科学者たちによる研究では、睡眠がどのように感覚信号を遮断し、私たちの意識を覚醒させるかを探るために音を使用した。
研究者たちは、被験者が眠っているときに音を鳴らすと、脳の初期聴覚処理を司る領域にある個々のニューロンが反応することを発見した。
しかし、意識的な認識に関連する通常の神経フィードバック信号はなかった。

「私たちは、睡眠中に外部の音に対してニューロンがどのように反応するかを調べていた。
ちょっと驚くのは、モーツァルトの曲を聴いたときのように、演奏に忠実さがある。

すべての奏者(ニューロン)が忠実に演奏しているのに、オーケストラの指揮者(意識)が存在しないようなものだと思う。おそらく意識的な情報処理に見られるような側面が欠けている。」とUCLAの研究者であるイズハク・フリード博士(UCLA researcher Dr. Izhak Fried)は説明する。

この研究結果は、睡眠中も脳は感覚情報を処理しているが、意識はそれを認識していないことを示唆している。
睡眠中に失われた意識からのフィードバック信号がないことが、静かな音や絶え間ない物音で人が目覚めない理由である。

関係記憶

昼も夜も、感じること、見ること、聞くこと、嗅ぐこと、味わうこと、すべてを絶えず処理しているが、睡眠中は、日中に作った記憶が統合され、より永続的になるときである。しかし、脳は日中に経験したことを記録しているだけでなく、関連する出来事を新たに結びつけている。

関係記憶とは、関連する出来事や属性(顔と名前など)を結びつける連想がなされるときに生じる。

カリフォルニア大学サンディエゴ校のマキシム・バジェノフ医学部教授(Maxim Bazhenov, a professor of medicine)と、バジェノフの研究室から最近博士号を取得したティモシー・タドロス博士(Timothy Tadros, a recent doctoral graduate from Bazhenov's lab at University of California San Diego)は、睡眠中に関係記憶を作り出し、強化するメカニズムを説明する理論的モデルについて論文を発表した。

「同じ物体を見るたびに、視覚野のほぼ同じニューロンが活動する。人が同じ文脈で2つの物体を見た場合、2つの物体を表すニューロン間の結合を強化することによって、連想皮質でこれらの連想が学習されるかもしれません」とタドロスはプレスリリースで説明している。

「我々の論文をモデルにして、人々にこの連想記憶テストをさせた行動学的研究のいくつかでは、睡眠後の改善量は徐波睡眠に費やした時間と相関していることがわかりました」とタドロスは説明した。この結果に基づいて、徐波睡眠(急速眼球運動ではない最も深い睡眠で、記憶の定着に重要な役割を果たす)を模倣したモデルが設計された。」

睡眠の再生

著者らは、脳の2つの部分、視覚()、聴覚(hearing)、味覚(taste)、触覚(touch)の信号を意識する前に処理する視床(the thalamus)、「意識の入り口(the gateway to the consciousness)」の異名を持つ構造と注意、知覚、認知が行われる大脳皮質(cerebral cortex)の相互作用をモデル化し、睡眠中にどのように連想記憶形成が行われるかを検証した。これまでの研究者たちは、睡眠中に以前に学習した課題に関与するニューロンが活性化する、睡眠再生と呼ばれるプロセスを発見している。この新しいモデルでは、睡眠再生中の記憶形成において、連想記憶(associative memory)がどのように生じるかを探った。

このモデルを用いて、脳にA+BとB+Cを見せた。AとCは顔で、Bは両方の顔に関連する名前である。そしてA、B、Cは睡眠中に記憶に統合された。しかし、脳はさらに一歩進んで、Aに関連するニューロンをすべて活性化させることで、Bに関連するニューロンを活性化させ、したがってCのニューロンも活性化させる。A+Cが直接関連づけられることはなかったにもかかわらず、脳は今、両者を結びつけているのである。このプロセスを理解することで、特に統合失調症や自閉スペクトラム症の人々の関係記憶の改善に役立つかもしれない。

運動能力の向上

「練習あるのみ」とは、スポーツ選手や音楽家など、ある動作を完璧にしようとする人なら何度も耳にしたことのある言葉だ。しかし、運動技能を向上させるために重要なのは練習だけではないかもしれない。

ノースウェスタン大学の研究では、実行に基づく動作が睡眠中に改善されるかどうかが調査された。研究者らはまず、被験者に特定の音と特定の腕の動きによる電気的活動を関連付けさせ、最初は視覚と聴覚を手がかりに、次に聴覚のみを手がかりにこれらの動きを練習させた。その後、被験者に仮眠をとってもらい、眠りに落ちた時点で、聴覚的な合図を半分含む音を再生した。

動作に関連した音を再生することで、研究者たちはTMR（標的化記憶再活性化）を用いて、参加者が眠っている間に動作の記憶を活性化させたのである。研究者たちは、被験者が睡眠中に聞いた音を合図にTMRを行ったところ、反応の速さと直接的な反応が著しく改善したことを発見した。合図は運動回路の一部を確実に再活性化させるが、合図がなくても脳はこれらの回路を自然に活性化させる。ただ、合図があるときと同じ頻度ではない。

「何かを学んでから12時間待つと、その情報をうまく理解できない可能性がある。だから、その情報をリハーサルすれば、忘れるのを相殺することができるのです」と研究責任者のケン・パラーは説明した。「通常であれば、その両方が起こっているはずです。忘却もありますが、この秘密のリハーサルによって改善される可能性もあります」。

この発見は、睡眠中に脳が運動技能を再生していることを示している。この情報は、一連の動作を習得しようとしている人だけでなく、神経学的な障害や怪我による運動機能障害を持つリハビリテーション治療患者にも役立つ可能性がある。

明らかに、脳は驚くべき器官である。私たちがエネルギーを回復し、頭を明晰にするために眠っている間も、脳は活動しており、私たちの五感が伝える周囲の状況を常に分析し、一日を通して見たり経験したりしたことのつながりを作っては再生している。これによって、昨日起こったことを思い出すだけでなく、明日に備えることができるのだ。

脳と記憶についてもっと知りたいですか？
NSF's Discovery Filesの統合睡眠に関する特集をお聴きください。

著者：エレノア・ジョンソン(Eleanor Johnson)は、AAAS科学技術政策フェロー(AAAS Science & Technology Policy Fellow)。ウィッテンバーグ大学で生物学の理学士号(her BS in Biology from Wittenberg University)、ケンタッキー大学で薬理学の博士号を取得(her Ph.D. in Pharmacology from the University of Kentucky)後、AAAS科学技術政策フェローシップに応募。
その後、AAAS科学技術政策フェローシップに応募し、NSF(National Science Foundation/全米科学財団)の立法・広報局(Office of Legislative & Public Affairs)の科学政策・広報チーム(Science Policy & Communications team)でコミュニケーション・スペシャリストとして勤務。

https://new.nsf.gov/science-matters/nightlife-brain?utm_medium=email&utm_source=govdelivery
https://www.n
ature.com/articles/s41593-022-01107-4
https://www.jneurosci.org/content/jneuro/41/46/9608.full.pdf