刺激前のθ波およびα波振動の増加がクロスモーダル記憶エンコードを強化する

背景紹介

エピソード記憶（episodic memory）は人間の記憶の重要な構成要素であり、そのコアメカニズムの一つは異なる感覚チャネルからの刺激を通じて連想を形成することである。しかし、現行の理論によれば、クロスモーダル（crossmodal）連想エンコードの過程において、θ波（theta band、3-7 Hz）振動の位相とパワーが機能的な役割を果たしている。また、刺激提示前にθ波範囲内（3-7 Hz）およびα波範囲内（8-12 Hz）や低β波範囲内（13-20 Hz）で持続的な振動活動が存在すると、これが後の記憶過程や認知処理に調整作用を与えることが示唆されている。

研究課題

本研究は、以下の仮説を検証することを目指している：刺激前の低周波活動特性がクロスモーダル記憶の成功形成に関連する。研究デザインは、単一の項目記憶とは独立して連動記憶を調査するために特別に用いられている。参加者は視聴覚刺激ペアを覚え、後の認識タスクでそれらと再編成された新しいペアを区別する必要がある。

論文出典

本研究はJan OstrowskiとMichael Roseによって執筆され、「Scientific Reports」誌の2024年巻第7895論文として発表された。両著者はともにハンブルク・エッペンドルフ大学医療センターシステム神経科学部門（department of systems neuroscience, university medical center hamburg-eppendorf, hamburg, germany）に所属している。

研究プロセス概要

実験デザイン

研究では、参加者（N = 51）が一連の視聴覚刺激ペアを覚え、後のタスクでそれらを区別することが求められた。実験は、エンコード段階、干渉タスク、そして後続の認識段階に分けられる。実験に参加した総人数は55名で、そのうち51名のデータがデータ品質等の理由から分析に含まれた。

エンコード段階

エンコード段階では、参加者が一連の同時に提示される視聴覚ペアの連想を覚え、その後認識テストを行う。エンコード中、半関連の視聴覚刺激ペアが同時に提示され、参加者はこれらのペアが動物に関連しているかどうかを判断し、全力で刺激ペアを記憶する指示を受ける。

干渉タスク

干渉タスクでは、参加者が100、115、125などの数字から異なるステップで逆算することが求められ、これはエンコード段階の内容を引き続き考えないようにするためのものである。

認識段階

認識段階では、エンコード段階の刺激ペアと新たに作成されたペアが再提示され、参加者は記憶中のペアが以前と同じかどうかを判断する。

主な結果

行動データ分析

参加者のエンコードタスクの正確率は92.48%、認識タスクの平均ヒット率は52.98%、偽陽性率は14.27%であった。d’値を感度の測定指標として用いると、記憶パフォーマンスは偶然レベルを顕著に上回っていた。

EEGデータ分析

前処理

EEGデータは60電極設定を用いて採取され、低周波揺らぎを除去するために高通フィルタ処理が施された。独立成分分析（ICA）を用いて、まばたきや横方向の眼球運動に対応する成分を識別し除去した。

パワー分析

パワー分析の結果、エンコード段階の開始前およびエンコード初期段階（-1sから0.9s）において、成功して記憶された試行（rem）と記憶されなかった試行（notrem）の間に有意差があり、rem試行のθ波（3-7 Hz）、α波（8-12 Hz）および低β波（13-18 Hz）振動パワーがnotrem試行よりも有意に高かった。

位相連結性分析

位相ベースの連結性分析では、異なる電極間の機能的連結性について分析を行い、視覚と聴覚領域間の位相連結性が記憶された試行と記憶されなかった試行との間で有意差がないことが明らかになった。

結論の抽出

本研究は、刺激前のθ波およびα波の振動パワーの増加がクロスモーダル記憶形成に有益であることを示した。また、記憶パフォーマンスd’値と前後の刺激におけるθ波およびα波振動パワーの差が正の相関を示していることから、θ波およびα波の前刺激特徴が成功エンコードに機能的に関連していることを示唆している。しかし、位相連結性の差異は仮説を支持せず、これにより記憶形成においてはθ波パワーのみが鍵となる役割を果たすことが指示された。

研究の意義と価値

本研究は、エピソード記憶の形成におけるtheta波およびalpha波の役割を強調し、前刺激期間中の脳の状態が後続の処理に影響を与えることを示した。異なる周波数帯域の振動活動を探索することにより、研究はこれらの部分が記憶エンコードプロセスにおいて協調動作することを示唆している。今後の研究は、これらの振動と海馬-皮質電気合成の相互関係を明確にし、他の関連する振動周波数帯域や脳領域の協調動作を探求する必要がある。

研究のハイライト

1. 記憶形成におけるTheta波およびAlpha波の機能的関連性：前刺激期間中に増加するθ波およびα波振動活動がクロスモーダル記憶の形成に有利であることを示した。
2. クロスモーダル記憶エンコードの新しい視点：theta、alpha、beta波のパワー差異およびそれらと記憶パフォーマンスとの関係を分析することにより、クロスモーダル連想記憶形成の微細なメカニズムを明らかにした。
3. 多周波数帯域の協調作用：theta波はクロスモーダル情報結合の制御に作用し、alphaおよびbeta波はそれぞれタスク特異的な抑制および意味処理段階において支援を提供する可能性がある。

方法論の検討

本研究では、独立成分分析、高通フィルタ、および時間周波数分解などの多段階データ取得および処理方法が採用されており、データの精度と信頼性が確保されている。さらに、ICCアルゴリズムおよび非パラメトリック置換テスト方法などを組み合わせることで、結果の科学的な信憑性が一層高められている。