7月 23, 2024

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脳は動かずに記憶をどのようにマッピングするか

脳は動かずに記憶をどのようにマッピングするか

まとめ: 身体を動かさなくても、一連の経験について考えるとき、脳の中でメンタルマップが活性化されます。 動物研究で、彼らは嗅内皮質に経験の認知地図が含まれており、それが精神的シミュレーション中に活性化されることを発見しました。

これは、非空間領域における精神シミュレーションの細胞基盤を示した最初の研究です。 この発見は、脳の機能と記憶形成についての理解を高める可能性があります。

重要な事実:

  1. メンタルマップは、物理的な動きを必要とせずに作成され、活性化されます。
  2. 嗅内皮質には、経験の認知マップが含まれています。
  3. この研究は、メンタルシミュレーションの細胞基盤についての洞察を提供します。

ソース: マサチューセッツ工科大学

職場や食料品店に向かういつものルートを移動すると、脳は海馬と嗅内皮質に保存されている認知マップと相互作用します。 これらの地図には、これまでに通ったルートや以前に訪れた場所に関する情報が保存されているため、そこに行くときにナビゲートすることができます。

マサチューセッツ工科大学(MIT)の新しい研究によると、このような心の地図は、物理的な動きや感覚入力がない状態で、一連の経験についてのみ考えるときにも作成され、活性化されることが判明しました。

動物実験で、研究者らは、動物がジョイスティックを使用して一連の画像をスクロールしているときに経験することの認知マップが嗅内皮質に含まれていることを発見しました。 これらの認知マップは、イメージが見えない場合でも、これらのシーケンスについて考えるときにアクティブになります。

これは、嗅内皮質における認知マップの活性化を通じて、非空間領域における精神的シミュレーションと想像力の細胞基盤を実証した最初の研究です。

「これらの認知マップは、感覚入力や運動出力を必要とせずに、精神的なナビゲーションを実行するために使用されています。私たちはこのマップの特徴を見ることができます」と、MIT マクガバン研究所のメンバーである脳と認知科学の准教授であるメルダド・ジャザイェリは述べています。 Brain Research、筆頭著者 この研究は、動物が精神的にこれらの経験を経験するときに現れます。」

マクガバン研究所の研究科学者であるスジャヤ・ニューパネ氏が論文の筆頭著者であり、この論文は 自然。 エラ・ヴィッティは、マサチューセッツ工科大学の脳と認知科学の教授であり、マサチューセッツ工科大学マクガバン脳研究所のメンバーであり、K. Integrative Computational Neuroscience の Lisa Yang もこの論文の著者です。

マインドマップ

動物および人間のモデルに関する多くの研究により、物理的位置の表現が海馬、小さなタツノオトシゴの形をした構造、および近くの嗅内皮質に保存されていることが示されています。 これらの表現は、動物が以前にいた空間を通過するとき、通過する直前、または睡眠中にアクティブになります。

「これまでの研究のほとんどは、動物が物理的に空間を移動するときに、これらの領域が環境の構造や詳細をどのように反映するかに焦点を当てていました」とジャザイェリ氏は言う。

「動物が部屋の中を移動するとき、その感覚経験は海馬と嗅内皮質のニューロンの活動によってよく符号化されます。」

新しい研究で、ジャザイェリと彼の同僚は、これらの認知マップが純粋に精神的なプロセスや非空間領域にわたる動きを想像する際にも構築され、使用されるかどうかを調査したいと考えました。

この可能性を探るため、研究者らはジョイスティックを使って一定の間隔で配置された一連の画像(「ランドマーク」)内の経路をたどるよう動物を訓練した。 訓練中、動物にはすべてのペアではなく、絵のペアのサブセットのみが表示されました。 動物が訓練用のペアを操作する方法を学習したら、研究者らは動物がこれまで見たことのない新しいペアを扱えるかどうかをテストした。

可能性の 1 つは、動物が順序の認知マップを学習せず、代わりに暗記戦略を使用して課題を解決したということです。 もしそうなら、彼らは新しいペアで苦労することが予想されます。 代わりに、動物が認知マップに依存する場合、動物は自分たちの知識を新しいペアに一般化できるはずです。

「結果は明確で、明確でした」とジャザエリ氏は言う。 「動物は最初の実験から、新しい画像のペアの間を精神的にナビゲートすることができました。この発見は、認知マップが存在するという強力な行動証拠を提供しました。しかし、脳はどのようにしてそのようなマップを作成するのでしょうか?」

この疑問に答えるために、研究者らは動物がこの課題を実行している間に、嗅内皮質の単一ニューロンから記録を行った。

神経反応には顕著な特徴がありました。動物がジョイスティックを使用して 2 つのランドマーク間を移動すると、ニューロンは重なっているランドマークの精神的表象に関連した活動の明確なスパイクを示しました。

「脳は、重なり合う画像が動物の目の前を通過するとき、予想されるタイミングでこのような活動の隆起を経験しますが、そんなことは決して起こりません」とジャザイェリ氏は言う。

「そして重要なことに、これらの衝突の間のタイミングは、動物が到着すると予想していたタイミングとまったく同じでした。この場合、それは 0.65 秒でした。」

研究者らはまた、メンタルシミュレーションの速度が課題に対する動物のパフォーマンスに関係していることも示した。動物が課題の完了にわずかに遅れたり、早くなったりすると、脳活動は同様のタイミングの変化を示した。

研究者らはまた、嗅内皮質における精神的表象が画像の特定の視覚的特徴をコード化しているのではなく、むしろ特徴の順序的な配置をコード化しているという証拠も発見した。

学習用モデル

これらの認知マップがどのように機能するかをさらに調査するために、研究者らは、発見した脳活動を模倣し、それがどのように生成されたかを示す計算モデルを構築しました。

研究者らは、永続的魅力モデルとして知られるタイプのモデルを使用しました。このモデルはもともと、感覚入力に基づいて、移動する動物の位置を嗅内皮質がどのように追跡するかをモデル化するために開発されました。

研究者らは、感覚入力によって生成された活動パターンを学習できるコンポーネントを追加してモデルをカスタマイズしました。 このモデルは、後で感覚入力がなかったときに、それらのパターンを使用してその経験を再構築する方法を学習することができました。

「私たちが追加する必要があった重要な要素は、このシステムが感覚入力と通信することで双方向に学習する機能を備えているということです。モデルが通過する連想学習を通じて、それらの感覚体験を実際に再現します」とジャザイェリ氏は言います。

研究者らは現在、ランドマークが等間隔でない場合、またはランドマークがリング状に配置されている場合に脳内で何が起こるかを研究することを計画している。 彼らはまた、動物が最初にナビゲーション課題の実行を学習するときの海馬と嗅内皮質の脳活動を記録したいと考えている。

「構造の記憶が心の中で結晶化し、それがどのように神経活動の発生につながるのかを見ることは、学習がどのように起こるのかを知る非常に貴重な方法です」とジャザイェリは言う。

資金調達: この研究は、カナダ自然科学工学研究評議会、ケベック研究基金、国立衛生研究所、およびポール&リリー・ニュートン脳科学賞から資金提供を受けました。

この記憶研究ニュースについて

著者: アビー・アパゾリウス
ソース: マサチューセッツ工科大学
コミュニケーション: アビー・アパゾリウス – マサチューセッツ工科大学
写真: 画像提供:Neuroscience News

元の検索: クローズドアクセス。
嗅内皮質における精神ナビゲーションによるベクター生成「Mehrdad Jazayeriらによる。 自然


まとめ

嗅内皮質における精神ナビゲーションによるベクター生成

認知マップは、以前の経験を使用して新しい計算を行うことを可能にする、適切に編成された表現です。 たとえば、馴染みのある場所で新しいルートを計画するなどです。 哺乳類に関する研究では、空間領域と非空間領域の両方で外部感覚入力の存在下でそのような表現が行われる直接的な証拠が見つかっています。

ここで私たちは、元の認知マップ理論の基礎仮説、つまり認知マップは外部入力なしで内部計算をサポートするという仮説を検証しました。

私たちは、中間のランドマークを見ることなく、ジョイスティックを使用して視覚ランドマークのペアの間に一次元ベクトルを生成するサルの精神ナビゲーション課題において、サルの嗅内皮質から記録を行った。

サルがこの作業を実行し、新しいペアに一般化する能力は、サルがランドマークの組織化された表現に依存していることを示唆しています。 タスク調節ニューロンは、ランドマークの時間構造と一致する周期性と急峻性を示し、持続的なアトラクターネットワークの兆候を示しました。

ヒッピーのような学習メカニズムで強化されたパス統合の連続アトラクター ネットワーク モデルは、システムが内部でランドマークをどのように呼び出すかについての説明を提供しました。

このモデルはまた、内部ランドマークがパス統合を一時的に遅らせ、ダイナミクスをリセットし、それによって変動性を低減するという予想外の予測も行いました。 この予測は、発火率の変動と挙動の再分析で確認されました。

私たちの発見は、嗅内皮質の組織化された活動パターンと、精神的ナビゲーション中の認知マップの内因性補充を結び付けています。

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