サル前頭皮質における系列作業記憶の柔軟な制御
研究背景
私たちの日常生活において、順序作業記憶（Sequence Working Memory、略称SWM）は非常に重要です。例えば、誕生日を記入する際には、年、月、日の順に思い出して並べる必要があります。しかし、脳がどのように順序記憶における情報制御を実現し、異なるタスクの要求に応じて情報を柔軟に並べ替えるのかは、現在も神経科学分野の未解決の謎です。このプロセスを深く探求するために、Jingwen Chenらは『Neuron』誌に「Flexible Control of Sequence Working Memory in the Macaque Frontal Cortex」と題した論文を発表しました。この研究は、中国科学院神経科学研究所、米国ニューヨーク大学心理学科、上海臨港研究所などの研究者によって共同で行われ、マカク猿の前頭葉の電気生理学的記録を通じて、前向きおよび逆向き記憶タスクの実行における神経動態と順序記憶の制御メカニズムを研究しました。
研究目的
研究の目的は、順序作業記憶タスクを実行する際の脳の前頭葉神経活動の組織とダイナミクス特性を明らかにし、独立した低次元感覚および記憶サブスペースが作業記憶の内容を担うかどうかを探ることにより、柔軟な記憶制御をサポートすることです。また、個々の誤試験における神経活動にも注目し、正しい反応と誤った反応を比較することで、順序記憶制御における脳の実行プロセスをさらに理解することを目指しています。
研究方法とプロセス
研究チームはマカク猿の前頭葉と前運動皮質領域に157チャンネルの微動電極アレイを埋め込み、電気生理学的記録システムを用いて順序記憶タスクの実行中の神経活動信号を収集しました。具体的な実験フローは以下のとおりです。
実験設計とタスク設定
実験では3匹のマカク猿（コードネームO、G、L）を訓練し、遅延順序整列タスクを学習・完遂させました。タスクは「前向き整列」と「逆向き整列」の2種類に分かれています。「前向き整列」では、猿は提示された順序通りに画面上の位置にタッチします。「逆向き整列」では、逆順に提示されたアイテムをタッチします。タスク中、研究者は1から3つの異なる空間位置のアイテムをランダムに提示し、猿は短い遅延期間の後、タスクの要求に従って提示された順序を再現します。
神経記録と単神経細胞反応
電気生理学データ記録では、合計6,790個の神経細胞の活動が記録されました。研究チームは単神経細胞の反応特性を分析し、神経細胞活動が「刺激誘発」と「遅延維持」の2種類に分類されることを発見しました。一部の神経細胞は刺激が提示された際、特定のアイテムに対する短期間の符号化を示す一方、他の神経細胞は遅延期間中に持続的な活動を展示し、アイテムの空間情報と順序情報を兼ね備えた符号化特性を有していました。この2種類の活動を示す神経細胞は独立して存在するのではなく、単一の神経細胞レベルで深く交差していることがわかりました。
前向きタスクにおける前頭葉神経サブスペース動態
前向きタスクでは、研究者は低次元分解技術を用いて、「感覚サブスペース」と3つの「記憶サブスペース」を識別しました。それぞれ異なる記憶階層に対応しています。感覚サブスペースでは、刺激終了後300ミリ秒以内に項目信息が急速に衰退するのに対し、記憶サブスペースでは項目信息が持続して保たれ、安定したリング状の構造が形成されます。これは、異なる記憶内容が脳の神経状態空間で秩序立てて独立に表示されていることを示しています。
逆向きタスクにおける柔軟な制御メカニズム
逆向きタスクでは、猿はアイテムを逆順に思い出し、記憶サブスペースに順次入れていく必要があります。研究者は、逆向きタスクでの順序制御メカニズムがより複雑であり、記憶サブスペースの選択に対する柔軟な制御を要求することを発見しました。前向きタスクとは異なり、逆向きタスクではアイテム情報が刺激の提示後に順次対応する記憶サブスペースに入り、タスクの長さと順序要求に応じてアイテムがサブスペースに入る時間が異なります。このプロセスは、脳に柔軟な制御メカニズムが存在し、タスクの要求に応じて情報フローの順序と時間を調整できることを反映しています。
研究結果
神経サブスペースの識別と独立性
研究は、脳の前頭葉が順序記憶タスクにおいて、感覚情報と記憶情報を異なる低次元サブスペースに分布させ、これらのサブスペースの活性状態をそれぞれ制御することで、情報の柔軟な制御と維持を実現することを示しました。前頭葉の神経細胞は同じ神経群内で感覚と記憶の分離を表現するだけでなく、独立した直交に近い低次元サブスペースも展示します。このサブスペースの動的変化はタスクの要求に密接に関連しています。
単試験における神経予測
研究者は誤試験中の神経活動を分析し、誤りが発生した場合でも神経動態が猿の行動タイプ（順序誤りまたはアイテム誤り）を正確に予測できることを発見しました。例えば、猿が順序タスク中にアイテムの順序混乱を起こすと、アイテム情報が誤った記憶サブスペースに記録され、脳の制御システムの誤操作を示します。さらに、分析により誤ったアイテムと目標アイテムの位置が近い場合、目標と誤ったアイテムが遅延期間中に干渉または競合の現象を示すことが分かりました。この発見はサブスペース制御メカニズムが誤り時に正しい操作を模倣できることを検証し、順序記憶の神経動態プロセスを明らかにしました。
神経制御の柔軟性
研究では、前向きおよび逆向きタスク間の神経サブスペースの共有程度を探るタスク横断的な一般化テストも行われました。研究は、猿の前頭葉神経活動が2つのタスクでサブスペースの共有を表現できるだけでなく、これらのサブスペースがタスクの要求に応じて柔軟に動的調整と組み合わせを行えることを示しました。これは、脳の制御システムが高度に柔軟な抽象制御能力を持ち、異なるタスクの要求に応じて情報の流れを調整し、多様な記憶順序タスクの要求を満たすことを示しています。
研究結論と意義
この研究は、順序作業記憶の制御がマカク猿の前頭葉神経群における動的な組織方法を明らかにし、柔軟な順序作業記憶プロセスをサポートする一般的な制御モデルを提案しました。研究は、脳が低次元サブスペースを組織し、感覚情報と異なる記憶階層の順序情報をそれぞれ保存し、前頭葉神経細胞群内で柔軟に調整することにより、柔軟な順序タスクをサポートすることを示しています。このメカニズムは認知神経科学分野において重要な意義を持ち、作業記憶の神経メカニズムを理解するための新しい視点を提供します。
研究のハイライト
革新的なサブスペース分解方法：本研究は低次元サブスペース分解技術を通じて、順序記憶における感覚と記憶情報の独立サブスペース表示を示しました。
柔軟な記憶制御メカニズム：脳は異なるタスク要求に応じて柔軟に記憶情報を順序づけて選択することができ、前頭葉神経群体の認知制御における柔軟性を展示しています。
単試験予測の神経精度：研究は誤り条件下でも神経動態が猿の誤りタイプを正確に予測できることを示し、記憶制御プロセスにおける神経コード化を理解するためのサポートを提供します。
応用展望
この研究は神経科学および認知制御分野において重要な応用価値を持っています。脳の制御情報フローの柔軟性と順序記憶の組織方法の探求を通じて、人工知能、脳-機械インターフェース、および認知障害の治療戦略のための参考を提供します。