「睡眠中の脳」は「未来の経験」を準備する。富山大学などの研究（石田雅彦）

　睡眠中、我々の脳は日々体験して記憶したことを整理し、長期記憶として保存している。富山大学などの研究グループは、近い将来に起きるイベントに対して準備するため、睡眠中の脳が過去の記憶をどう整理しているのか、そのメカニズムの一端を明らかにした。

睡眠中に未来の準備をしている脳

　睡眠は身体を休めるためだけでなく、近い体験に基づく短期記憶を整理し、長期記憶として保存し、定着させるなどの役割を果たす。こうした記憶は、適切に取り出せなければ意味はない。

　我々の脳は将来に起きるイベントに対して記憶を適切に取り出せるよう、記憶を整理して符号化し、過去の記憶を処理し、準備していると考えられている。つまり、脳は過去の記憶から一種のタイムトラベルをし、未来について考えるようなことをし、睡眠はそうした機能にとって重要な役割をになっている（※1）。

　富山大学などの研究グループ（※2）は、睡眠中に記憶を定着させる脳細胞が、体験などを経験した後に形成されるのか、それとも事前に脳内に準備されているのか、もし準備されているのならどのように準備されているのか、そして過去の記憶を定着させる時のように睡眠が未来の記憶をになう細胞を選ぶことに関わっているかを明らかにし、国際的なオンライン学術誌に発表した（※3）。

　目覚めて起きている時に経験した記憶は、エングラム細胞と呼ばれる脳の神経細胞集団が睡眠中に再活動することで定着することがわかっている（※4）。同研究グループは、記憶を蓄える海馬の中のCA1領域と呼ばれる場所のエングラム細胞集団と、それ以外の細胞集団が新しい出来事の経験中やその前後の睡眠中にどのような活動を行っているか、実験動物のマウスと独自に開発した光イメージング技術を使って観測した。

同研究グループが開発した光イメージング技術によるエングラム細胞集団と、それ以外の細胞の活動を観測する図。富山大学のリリースより。

エングラム細胞集団の予備集団が出現する

　観測では、1日目に空間Aでの経験Aとその前後の睡眠中、2日目に睡眠後に空間Aの経験Aの再経験（記憶の想起）をさせ、その後に新たな空間Bを探索する経験の順番で行った。その結果をNMF（Nonnegative Matrix Factorization）解析という画像解析アルゴリズムにかけて経験Aを記憶したエングラム細胞集団について、他のセッションを経験させたマウスと比べたところ、エングラム細胞集団は経験前の睡眠中にすでに予備集団として活動しており、その約半分が経験後の睡眠中や次の日の記憶の想起後に再出現（リプレイ）することがわかった。

エングラム細胞集団は学習前に予備集団として活動している。富山大学のリリースより

　では、こうした予備集団としてのエングラム細胞集団はいつ生まれるのだろうか。同研究グループは、NMF解析で同定したエングラム細胞集団「以外」の細胞集団の活動についてA、Bの観測で比べてみた。その結果、経験A直後の睡眠中に現れた細胞集団の活動のうち、新しい空間Bの経験中に再出現するグループが存在することがわかった。

　この再出現するグループは、空間Bの探索中、エングラム細胞集団に特有の活動（たくさんの繰り返し活動）を示し、構成する細胞の全細胞中野割合がエングラム細胞集団の割合とほぼ同じであるなど、エングラム細胞集団ではないのにかかわらず、エングラム細胞集団の特徴を持っていた。

　この過程は睡眠に特有な現象であり、経験後の覚醒した状態ではエングラム細胞集団の予備集団の活動は観測されなかったという。こうしたことから同研究グループは、次の空間Bの探索の記憶をになうエングラム細胞集団の予備集団が、前の経験A後の睡眠中に出現したことを示した。

次の記憶をになうエングラム細胞集団の予備集団は、前の経験直後の睡眠中に出現する。富山大学のリリースより

　このような未来の経験を準備するエングラム細胞集団の予備集団は、どのようなメカニズムで出現するのだろうか。睡眠には、過去の複数の記憶に対応するエングラム細胞集団を同時に活動させるさせることで有用な新たな情報を創り出す機能があることが先行研究からわかってきている。

　同研究グループは、先行研究を参考にし、空間Bでの探索の記憶をになうエングラム細胞集団の予備集団と、経験Bの記憶をになうエングラム細胞集団のそれぞれのかつどうの間にどんな関連があるのかを調べた。その結果、エングラム細胞集団の予備集団は、経験A直後の睡眠中にエングラム細胞集団活動の一部が再出現（リプレイ）したものと同時に活動していることがわかった。この結果は、エングラム細胞集団による前の記憶の定着と、エングラム細胞集団の予備集団の出現という次の記憶への準備が同時に行われていることを示唆しているという。

エングラム細胞集団の予備集団は、睡眠中に前の記憶の再出現（リプレイ）と同時に出現する。富山大学のリリースより

睡眠時に特有のメカニズムとは

　これらの結果から同研究グループは、脳の海馬において、睡眠時に特有のメカニズムがエングラム細胞集団の予備集団の出現に貢献している可能性があると考えた。このメカニズムを解明するため、海馬のCA3-CA1シナプスにおける情報伝達と睡眠時の学習ルールを模倣した神経回路モデルを作製し、シミュレーションを行った。

　海馬のCA3-CA1シナプスというのは、神経細胞同士の連絡を介するシナプスの一種で、CA3シナプスからCA1シナプスが情報を受け取っている。また、使った睡眠時の学習ルールは、エングラム細胞集団へのシナプス伝達効率を保ち、過去の記憶を定着させると同時に、エングラム細胞集団以外の細胞へ無関係で不要な情報を伝達するシナプスを弱めるという学習、そして各神経細胞への情報の入力量を一定に保つルールとなる。

　これらの手法の組み合わせにより、経験前、新たな経験A、経験後の睡眠、新しい空間での探索経験Bにおける海馬の神経活動と学習のシミュレーションを行い、実験と同様にエングラム細胞集団やエングラム細胞集団の予備集団が出現することを確認した。また、レム睡眠中に特有の脳波を弱めたり、各神経細胞への情報の入力量を一定に保つルールを除外した場合、エングラム細胞集団の予備集団の出現が阻害されることがわかった。

　これらの結果から、睡眠中に特有のシナプス調整を行うメカニズムにより、エングラム細胞集団以外の細胞では経験Aと関連するシナプスの結合が弱められ、その代わりに将来の入力に対応するシナプスの結合が強化され、新たな活動パターンが生まれ、このプロセスによってエングラム細胞集団の予備集団の形成を説明できるとした。

　同研究グループは、睡眠中の脳は活発に活動していて、過去の記憶を定着させるだけでなく、近い未来の記憶を扱う準備をしており、睡眠中のこうした働きにより、脳は過去と未来の情報をつなぐ整理をしていると考えられるという。今後、睡眠中の脳活動や睡眠法への介入などにより、脳が本来持っている潜在的な能力をより引き出したり、記憶力を向上させる方法が開発される可能性もあると期待する。

　未来予測は、生命の生存にとって重要な機能だ。過去の経験を生かし、それを近い未来に起きるであろう危機に対処することで我々人類は生き残ってきた。睡眠は、このメカニズムに重要な役割をになっているようだ。