霊長類の腹側前運動皮質における時間知覚の文脈的神経ダイナミクス

神経内科学 生物物理学 生命科学 細胞生物学 医学
時間知覚 腹側前運動皮質 ニューロン反応 タスク依存性 時間間隔

腹側前運動皮質における時間知覚の神経動態に関する研究

学術背景

時間知覚は神経科学研究の中心的な問題の一つであり、特に認知的要求が変化する際に大脳がどのように時間を符号化するかが重要な課題です。時間は「長」または「短」と分類されるか、または連続的な時間間隔として正確に表現されます。腹側前運動皮質（ventral premotor cortex, VPC）は複雑な時系列処理、例えば言語処理において重要な役割を果たしますが、その時間推定における具体的な役割はまだ十分に探求されていません。本研究では、霊長類が時間間隔比較タスク（time interval comparison task, TICT）と時間間隔分類タスク（time interval categorization task, TCT）を行う際に、VPC がどのように時間情報を処理するかを調査しました。

論文の出典

この研究は Héctor Díaz、Lucas Bayones、Manuel Álvarez などの多くの研究者が共同で行ったもので、研究チームはメキシコ国立自治大学（Universidad Nacional Autónoma de México）の細胞生理学研究所に所属しています。論文は2025年2月6日に『アメリカ国家科学院紀要』（Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS）に掲載され、「Contextual neural dynamics during time perception in the primate ventral premotor cortex」というタイトルで発表されました。

研究フロー

実験設計

研究は2つの主要なタスクに分けられました：時間間隔比較タスク（TICT）と時間間隔分類タスク（TCT）。TICT では、サルは2つの連続する時間間隔（int1 と int2）を比較し、固定遅延後にどちらの間隔が長いかを判断します。TCT では、サルは単一の時間間隔を分類し、「長」または「短」と判断します。各タスクにおいて、研究者は VPC 神経細胞の活動を電気生理的に記録しました。

実験対象と方法

研究には2匹のサルが使用され、それぞれ TICT と TCT タスクを行いました。実験中、機械的プローブがサルの指先の皮膚を刺激し、サルはボタンを押して反応します。神経細胞の活動は VPC 内に配置された電極によって記録され、電極の位置は MRI スキャンによって精密に決定されました。

データ分析

研究者は主成分分析（PCA）や相互情報量（mutual information）などの手法を使用して神経細胞の群れの活動を分析しました。特に、研究者は異なる時間点の神経細胞群の状態の類似性を定量するために、余弦類似度に基づく分析方法を開発しました。

主要な結果

TICT 中のニューロン活動

TICT において、VPC ニューロンの反応は非常に多様でした。大多数のニューロンは時間間隔提示期間中に活動を示し、一部のニューロンは作業記憶期間中に時間情報を保持しました。ニューロン群の活動は TICT において線形関係を示し、時間間隔の持続時間と正の相関がありました。遅延期間中、このパラメトリックな符号化パターンは保持されました。

TCT 中のニューロン活動

TCT において、ニューロンの活動は分類特性を示しました。ニューロンは時間間隔のカテゴリー（長または短）に応じて異なる動態パターンを示しました。遅延期間中、ニューロン群の活動は明確に2つのクラスに分かれ、「長」と「短」の時間間隔に対応していました。

群体動態分析

PCA 分析により、研究者は VPC が TICT と TCT で異なる群れの動態を示すことを発見しました。TICT では、群れの活動はパラメトリックな線形関係を示し、TCT では時間間隔のカテゴリーに基づいて著しく分離しました。この動態の切り替えは、VPC がタスクの要求に応じて時間情報を柔軟に符号化できる能力を示しています。

結論

本研究は、VPC が時間間隔の符号化と記憶の維持において重要な役割を果たすことを示しています。ニューロン群は TICT においてパラメトリックな線形関係を通じて時間情報を符号化し、TCT においては時間間隔のカテゴリーに基づいて分離します。この柔軟な動態適応能力は、VPC が時間情報を処理する際の重要な役割を強調し、大脳が認知的要求に応じて時間知覚の神経機構を調整する仕組みを明らかにしました。

研究のハイライト

  1. タスク依存の時間符号化：本研究は、VPC が比較または分類というタスクの要求に応じて時間符号化パターンを柔軟に調整できることを発見しました。
  2. 群れの動態分析：PCA と余弦類似度分析により、研究者は VPC の時間知覚における動態進化メカニズムを明らかにしました。
  3. パラメータの記憶維持：TICT において、VPC は作業記憶期間中も時間情報のパラメトリックな符号化を継続的に保持します。これは、作業記憶中の時間処理を理解する新しい視点を提供します。
  4. 動態の分離による分類：TCT において、VPC は時間間隔を「長」と「短」の2つのクラスに明確に分類し、この分類情報を遅延期間全体で保持します。

価値と意義

この研究は、VPC の機能の理解を拡張するだけでなく、大脳が異なる認知タスクで時間情報を処理する神経機構を明らかにしました。特に、研究結果は VPC が時間知覚の符号化に加えて、作業記憶中にもその情報を保持することを示しており、時間知覚と認知制御の関係を理解する重要な手がかりを提供します。さらに、PCA を基にした群れの動態分析などの方法論的革新は、今後の複雑な認知タスクにおける神経機構の研究に新しいツールを提供します。

本研究は時間知覚の神経基盤に対する新たな洞察を提供し、他の認知機能（如き決定や記憶）の神経機構の探索の基礎を築きました。