サル側頭葉における物体間対連合の視覚表象及び記憶想起を司る神経回路の計算原理

サル側頭葉における物体間対連合の視覚表象及び記憶想起を司る神経回路の計算原理

 この度は、日本神経科学学会奨励賞を賜り、大変光栄に存じます。またご多用の中、審査にあたられた先生方並びに関係者の皆様方に、厚く御礼申し上げます。これまでに本賞を受賞された先輩方のご活躍に、改めて身の引き締まる思いが致します。
 霊長類の大脳側頭葉は、物体の視覚表象及び記憶の形成・想起を司る領域であり、物体の提示時や物体記憶の想起時に活動するニューロンが多く存在することが報告されてきました。しかし、ニューロン同士がどのような回路を形成し、どういった計算を行うことで、そのような視覚表象や記憶想起信号が生成されるかは、個々のニューロン活動や、集団的神経活動を調べるだけでは解けない問題であり、長い間未解明のままでした。
 この問題に対して、私は図形間対連合記憶課題を遂行中のサルの下部側頭葉から複数のニューロン活動を同時に記録することで、物体間対連合の表象、及び記憶想起中における神経回路の動作を捉え、個々のニューロン活動に基づいたこれまでの定説を覆す、新たな計算原理を解明しました。対連合記憶課題とは、「鉛筆」と「消しゴム」のように対となる図形をあらかじめ記憶し、特定の図形(鉛筆)を見た時に、その対図形(消しゴム)を思い出す課題であり、側頭葉に損傷のある患者は、この課題に顕著な障害を示すことが知られています。
 本研究では、マカクザルに図形間対連合記憶課題(図A)を学習させ、課題遂行中に多細胞同時記録を行い、課題関連活動を示すニューロン集団から成る機能的局所神経回路を同定しました。この課題では、サルは提示図形を見てその対図形を長期記憶から想起しなければなりません。私はまず、対図形想起期間において、提示された図形情報を保持する「手がかり図形保持ニューロン」(図B、青)から、想起すべき対図形をコードする「対図形想起ニューロン」(図B、赤)へ情報が伝わり、その情報がさらに続けて次の対図形想起ニューロンへと伝わることを見つけ、側頭葉における物体記憶想起回路の動作を明らかにしました(図B、C)。
 次に、対連合表象の形成に至る皮質領野間の階層処理について考えました。第一次視覚野に始まる皮質領野間の階層処理において、ある領野で大勢を占める視覚特徴の神経表象は、その領野内で生成されると考えられてきました。しかし、低次領野で表象の「プロトタイプ」が少数生成され、それが高次領野で広まる、という仮説も立てることができます。サルの下部側頭葉は低次側のTE野と高次側の36野から成り、特定の図形対に応答する「対連合表象ニューロン」は36野に多いことから、この表象は36野で形成されると考えられてきました。私は多細胞同時記録により、これらの領野における対連合表象生成回路を調べ、まずTE野では個々の図形を表象する(先の例では、鉛筆か消しゴムのどちらかに応答する)ニューロンから、図形間対連合を表象する(鉛筆と消しゴムの両方に応答する)ニューロンへと情報を送る回路がその逆向きの倍以上多いことを見つけ、TE野での対連合表象生成を明らかにしました(図E、左)。一方36野ではTE野のような対連合表象生成は見られず、代わりに対連合表象ニューロン同士が結合し、速く対連合を表象するニューロンから、ゆっくりと表象するニューロン集団へと情報が伝わり、回帰性回路を介して徐々に対連合表象が広まることがわかりました(図E、右)。以上より、視覚特徴の神経表象は、低次領野で作られた少数のプロトタイプが高次領野で広まり、大勢を占める表象となることが示唆されました。
 本研究で解明された個々の計算を司る局所神経回路は、おそらく皮質層間回路の制御を受け、さらにその皮質層間回路が領野間ネットワークに制御されていると考えられます。このように異なる階層における神経回路の動作は、これまで別個に調べられてきましたが、それらを一つのシステムとして統合的に理解することが、高度な認知機能を支える脳の作動原理の理解に向け、今後の重要な課題だと考えられます。
 認知機能に関わる大脳連合野における機能的神経回路を明らかにしたいと考え、宮下保司教授の研究室の門を叩き、幸運にも本研究に携わることができました。宮下研究室の皆様には、これまで様々な側面から支えて頂きました。特に宮下先生には、生理学のイロハから論文執筆、そして研究に対する姿勢に至るまで、時に(だいたい)厳しく、時に(たまに)やさしく、一から叩き込んで頂きました。長年のご指導に対する感謝の気持ちは言葉だけでは表しきれませんが、この場をお借りして、心より感謝申し上げます。また今後とも、より一層の精進に励む所存ですので、宮下先生並びに学会員の先生方には、変わらぬご指導ご鞭撻を賜りますよう、何卒宜しくお願い申し上げます。

略歴:
2006年 東京大学大学院 医学系研究科 博士課程 学位取得(医学博士)
2007年 東京大学大学院 医学系研究科 助教
2012年 東京大学大学院 医学系研究科 特任講師
2013年~現在 東京大学大学院 医学系研究科 講師

写真の説明:
筆者近影