脳が変わり続けても、記憶が続くのはなぜか

昨日の出来事を思い出すとき、脳は昨日と同じ状態にはない。その後にも新しい経験をし、眠り、また活動している。それでも記憶にはある程度の一貫性がある。記憶を保つとは、脳の何を保つことなのだろう。

人工冬眠を使ったOISTなどの研究は、この疑問を考えるきっかけになる。マウスの海馬で多くのシナプスが失われる変化が起きた後にも、回復後の記憶関連行動が保たれた。研究では、記憶に関係するシナプスの一部のまとまりが残りやすいことも観察された。人工冬眠を、回路を大きく変化させて、何が残るのかを調べる実験として読むと面白い。OISTによる研究発表 ↗

睡眠の研究にも、この問いにつながる結果がある。乘本・池谷らは、海馬のリップルに伴うシナプスの弱化を妨げると、その後の新しい学習が損なわれることを示した。弱化には選択性があった。不要になった活動や過剰な結びつきを調整することが、次の学習の余地を作る可能性を考えられる。Norimotoら、Science、2018 ↗

REM睡眠中に、新しくできたスパインの一部が除かれる一方、別の一部は強化・維持されるというマウス運動皮質の研究もある。睡眠中の回路は、一様に弱まっているわけではない。残すものと更新するものの選択が、記憶の維持とその後の学習を両立させているのではないか。Liら、Nature Neuroscience、2017 ↗

変わるのは接続だけではない。学習済みの課題を安定して行うマウスでも、頭頂連合野の個々のニューロンと課題情報の対応は、時間とともに変わる。それでも集団活動から課題の情報を読み出せる。この結果は、ある能力の維持を、一つ一つの細胞の同じ応答だけでは説明しきれないことを示している。Driscollら、Cell、2017 ↗

このデータを解析したRuleらは、変化する表現から情報を取り出す条件を調べ、読み出し側の小さな継続的調整によって性能を補えるモデルを示した。表現を担う集団と、それを利用する回路が一緒に更新されるなら、構成が変わっても同じ判断や行動を続けられるかもしれない。Ruleら、eLife、2020 ↗

一方、どの接続が残るかは無視できない。Hayashi-Takagiらは、学習で増強されたスパインを選んで縮小させると、獲得した運動技能が損なわれることを示した。別の課題に関係したスパインへの操作では、同じ障害は起きなかった。回路全体がどれだけ変わったかに加えて、学習を支えていたどの関係が変わったのかを見る必要がある。Hayashi-Takagiら、Nature、2015 ↗

ここでDropoutを並べて考えたい。学習中にユニットを一時的に使えなくする手法は、特定の組み合わせへの依存を抑え、汎化を改善する。一部の構成要素が使えない条件を経験しながら、有用な表現を学ぶことができる。Srivastavaら、JMLR、2014 ↗

この比較から、「変動を経験することが、何に対する頑健性を育てるのか」という問いが生まれる。脳についても、ある接続や活動状態をそのまま残す以外に、学習した区別や関連づけを、多少の変化があっても再現できる仕組みを考えられる。比較的安定した接続の足場、集団として保たれる情報、変化に追随する読み出しは、互いに排他的な説明ではない。

私たちが追っていきたいのは、記憶を保てる変化と、記憶が崩れる変化の違いだ。同じ数の接続を弱めても、ランダムに選ぶ場合と、特定の学習に関係するまとまりを狙う場合では、結果が違うだろうか。再学習を許さなくても保持されるのか、回復の過程で保持されるようになるのか。こうした比較ができれば、記憶の一貫性を支えるものを、配線、集団表現、読み出しのそれぞれから調べられる。

人工冬眠の研究は、その一般的な問いに大きな変化を加えて迫る一つの方法である。日々の睡眠や学習を含めて考えることで、記憶を維持する仕組みと、脳が学び続けられる仕組みを、同じ問題として捉え直せるのではないか。