「記憶痕跡」の版間の差分

<font size="+1">鈴木章円、[http://researchmap.jp/ohkawa_noriaki 大川 宜昭]、[http://researchmap.jp/nomoto 野本 真順]、[http://researchmap.jp/kaoruinokuchi 井ノ口 馨]</font><br>

''富山大学 大学院医学薬学研究部''<br>

DOI XXXX/XXXX　原稿受付日：2013年4月24日　原稿完成日：2014年月日<br>

担当編集委員：[http://researchmap.jp/haruokasai 河西 春郎]（東京大学 大学院医学系研究科）<br>

[[image:記憶痕跡1.jpg|thumb|300px|'''図1．セルアセンブリ仮説に基づく記憶痕跡の概要'''<br>記憶がセルアセンブリとして符号化されて脳内に蓄えられる様子を表す。学習時に活動したニューロン（オレンジ）の間のシナプスではLTPが起こり、ニューロン活動が収まった通常時でも伝達効率が増強されている。そのため、なんらかのきっかけでこれらのニューロンの一部が活動すると、強いシナプス伝達で連絡されたニューロンセット（オレンジ）が同時に活動する。これが、記憶の想起である。]]

 

[[image:記憶痕跡3.jpg|thumb|300px|'''図3．記憶痕跡の実体を探るための実験系'''<br>

A．TetTagマウスはc-fosプロモーター制御下でtTA(テトラサイクリン制御性トランス活性化因子)を発現するトランスジーンとTetO(テトラサイクリン依存性オペレーター)制御下で、tTA*(ドキシサイクリン非感受性tTA)とレポーター遺伝子であるTau-LacZを発現するトランスジーンを持つダブルトランスジェニックマウスである。tTAはドキシサイクリン存在下ではTetO(テトラサイクリン応答配列)に結合することができない。しかし、ドキシサイクリン非存在下ではtTAはTetOに結合し、tTA*とtau-LacZの発現誘導が可能となる。また、tTA*はドキシサイクリン非感受性であるため、一度発現されればtTA*とtau-LacZを恒常的に発現させることができ、刺激に応答して活性化されたニューロンをtau-LacZの発現を指標に可視化することが可能である。<br>

C．HSVによりCREBとAlstR(アラトスタチン受容体)を扁桃体に注入し、両者をニューロンに発現させる。その後、AL(アラトスタチン)投与により、CREB過剰発現ニューロン群を特異的に不活性化させることが可能となる。CMV, CMVプロモーター；IE4/5, CIE4/5プロモーター。]]

[[image:記憶痕跡4.jpg|thumb|300px|'''図4．記憶痕跡の物理的存在を示した実験法'''<br>c-fosプロモーター活性依存的にチャネルロドプシンを発現するトランスジェニックマウス(cFos-pro-tTA x TRE ChR2-YFPマウス)にtrainingとして電気ショック（稲妻印）を与え、恐怖記憶を形成させた。学習時に活性化されたニューロンでチャネルロドプシンを発現する。その後、マウスをまったく別の環境に暴露し、海馬歯状回（DG）への光照射（最上段右の図）により学習時に活性化されたニューロン群を再活性化状態にすると、マウスが恐怖を感じた時に示すフリージングを引き起こさせることに成功した（Test）。下段の図は、training, test時におけるDGニューロンの状態を表す。用いたマウスのトランスジーンの構造を最下段に示した。黄色はチャネルロドプシンを発現するニューロン、青色は光刺激により活性化されたニューロンを示す。]]

同義語：エングラム (engram)

　記憶痕跡とは、学習時に活動した特定のニューロン集団（[[セルアンサンブル]]）という形で脳内に残った物理的な痕跡のことである。学習時に同期活動をしたニューロン同士は強いシナプス結合で結ばれるため（シナプス可塑性）、何らかのきっかけで一部のニューロンが活動すると、このニューロン集団全体が活動し、その結果として記憶が想起される。[[シナプス可塑性]]は、シナプスレベルの記憶痕跡と言うこともできる。

　記憶痕跡とは、20世紀初頭にドイツの生物学者Richard Semonにより唱えられた言葉である。Donald Hebbの[[細胞集成体]]（[[セルアセンブリ]]、cell assembly）仮説によると、[[記憶]]は脳内にある特定のニューロン集団（セルアセンブリ）として符号化されて蓄えられる（アンサンブル・コーディング、ensemble coding）と想定している<ref name=ref1>'''Hebb DO'''<br>The Organization of Behavior<br>''John Wiley & Sons Inc'' (1949)<br>本書は1966年以来絶版になっていたが、2002年にLawrence Erlbaumから再刊された（現在は、Taylor & Francisから刊行されている）。最近、邦訳が出た。<br>'''D.O.ヘッブ'''<br>行動の機構<br>''岩波文庫''、2011年</ref>。すなわち、学習時に活性化した特定のニューロンのセットという形で脳のなかに残った物理的な痕跡が「記憶痕跡」であると提唱した（図1）。現在ではこの仮説が大枠で正しいことが明らかとなっている。すなわち、学習時に同期活動をしたニューロン間のシナプス伝達は増強するため、これらのニューロン同士は強いシナプス結合で結ばれる（後述の[[記憶痕跡#シナプス可塑性と記憶痕跡|シナプス可塑性と記憶痕跡]]を参照）。何らかのきっかけでこのニューロン集団に属する一部のニューロンが活動すると、強いシナプス結合で結ばれたニューロン集団全体が活動し、その結果として記憶が想起される。特定の細胞集団から形成されるニューロンネットワークが「記憶痕跡」の物理的な実体である。また、シナプスにおいて生じるシナプス可塑的な変化は、シナプスレベルの記憶痕跡であると言うこともできる。

　記憶痕跡の物理的実体が明らかになるまでには紆余曲折があった。米国の心理学者Karl Lashleyは[[wikipedia:ja:ラット|ラット]]を使った実験で、記憶痕跡の存在について異議を唱えた<ref name=ref2>'''Lashley K.'''<br> In search of the engram. <br>Society of Experimental Biology Symposium 4:454–82. (1950) </ref>。Lashleyはまずラットに[[迷路]]を学習させた後、ラットの[[大脳皮質]]の様々な領域を異なる大きさで取り除いた。するとラットは大脳皮質を取り除かれた分だけ、迷路から抜け出すことが困難になり、大脳皮質の取り除いた領域ではなく、取り除いた割合と迷路の課題を達成する困難さが相関することを示した(図2)。これらの結果を基にLashleyは、「記憶は特定の脳領域に局在して蓄えられるのではなく、大脳皮質全体に分散して蓄えられる。大脳皮質の領域は、お互いに代用可能である。」と述べ、記憶痕跡が本当に存在するのか？という疑問を生じさせた。しかし、Lashleyの行った研究は、その実験系の複雑さゆえに記憶痕跡を発見できなかったと考えられ、Lashleyの実験以降、多くの科学者が記憶痕跡の存在を求め、精力的に研究を行ってきた。

　1999年、John Guzowskiのグループは、[[CatFISH]] (cellular compartment analysis of temporal activity by fluorescent in situ hybridization)法を用い、神経活動時に発現が誘導される[[Arc]] ([[activity-regulated cytoskeleton-associated protein]])　[[wikipedia:ja:mRNA|mRNA]]の時間的な細胞内局在変化を指標として、記憶痕跡の存在を探索した<ref name=ref3><pubmed>10570490</pubmed></ref>。彼らはまずラットを新規環境に暴露し、その後、再度同じ環境(Context A)もしくは異なる環境(Context B)に暴露した後に、海馬におけるArcの発現およびその細胞内局在を調べた。その結果、新規環境に暴露された時にArcを発現したニューロンは、異なった環境(Context B)ではArcを発現せず、同じ環境(Context A)に再暴露されたときのみ再度Arcを発現することを見出した。すなわち、一度経験した事柄に再度暴露すると、初期の経験依存的に活性化されたニューロンが再活性化することが示された。

　また2007年、Mark Mayfordらのグループは学習に応答して活性化されたニューロンを継続的に標識することが可能な[[トランスジェニックマウス]](TetTagマウス)を作製した(図3A)<ref name=ref4><pubmed>17761885</pubmed></ref>。このマウスを用いて、恐怖経験時に活性化された[[扁桃体]]ニューロンが恐怖記憶想起時にも再活性化されること、さらに再活性化されたニューロンの数は想起された記憶の強さと相関していることを示した。以上のCatFISHとTetTagマウスの2つの実験は、記憶の形成時に活性化したニューロン群（セルアセンブリ）が、記憶想起時において再活性化することを示しており、記憶獲得時に活性化したニューロン群（あるいはその一部）が記憶痕跡として存在することを間接的に示唆している。

　[[恐怖記憶]]獲得時に活性化するニューロン群では、[[転写調節因子]]である[[CREB]] ([[cAMP response element-binding protein]])活性が高い。さらに、通常恐怖記憶が成立しにくいCREB欠損マウスの扁桃体ニューロンへのCREB過剰発現が、恐怖記憶獲得を回復させるとともに、記憶想起時にCREB過剰発現ニューロンが選択的に再活性化する<ref name=ref5><pubmed>17446403</pubmed></ref>。これらのことを基にして、Sheena JosselynおよびAlcino Silvaのグループは、CREBを過剰発現したニューロンを特異的に不活性化させた後の記憶変化を見ることで、これらのニューロン集団が記憶想起に必要かどうかを検証した<ref name=ref6><pubmed>19286560</pubmed></ref> <ref name=ref7><pubmed>19783993</pubmed></ref>。

　まず、Josselynらは、CREBを過剰発現したニューロンを不活性化させるため、“[[iDTR]] (inducible diphtheria toxin receptor)マウス”と名付けられたトランスジェニックマウスの扁桃体に[[wikipedia:ja:単純ヘルペスウィルス|単純ヘルペスウィルス]]（[[wikipedia:ja:単純ヘルペスウイルス|herpes simplex virus]]: HSV）ベクターによりCREB-creを発現し、[[cre]]活性により[[loxP]]で挟まれたSTOP配列を抜き出すことでCREBが過剰発現したニューロン内にDTR(ジフテリア毒素受容体)を発現させた。その後、[[wikipedia:ja:ジフテリア毒素|ジフテリア毒素]]を投与することで細胞死を誘導し、CREBを過剰発現したニューロン群の選択的除去を行った(図3B)<ref name=ref6 />。同様に、Silvaらは、HSVによりCREBと[[AlstR]]([[アラトスタチン受容体]])を注入し、両者をニューロンに発現させた。そして、アラトスタチンを投与することで、CREBを発現する神経細胞を不活性化させた(図3C)<ref name=ref7 />。どちらの場合においても、ジフテリア毒素またはアラトスタチン投与により扁桃体依存的な恐怖記憶の想起が阻害された。これらにより、恐怖記憶の発現時に活性化される扁桃体ニューロン群（セルアセンブリ）が、記憶痕跡に重要な役割を担っていることが示唆された。

　このように、多くのニューロンの中から、一部のニューロン群が各記憶イベントに対応し活性化することで記憶痕跡が形成される（アンサンブル・コーディング）ことが示される一方で、どのようにしてこれらのニューロン群が選択されたのかについては、不明の点が多い。扁桃体の多くのニューロンが感覚入力を受け得るにもかかわらず、一部のニューロンのみが恐怖記憶獲得に依存した質的変化を示す。前述したように、恐怖記憶獲得に関わるニューロン群の選択性とCREB活性は正相関する<ref name=ref5 />。CREBを過剰発現したニューロンでは、興奮性や、記憶獲得時のシナプス伝達効率の変化率が大きいことが報告されている<ref name=ref7 />。これらのことは、学習時にCREB活性が高いニューロンが選択的にその記憶に関するセルアセンブリに取り込まれることを示唆している。

　LTPはニューロン間の信号の受け渡しの場であるシナプスで観察される経験依存的な神経可塑性の代表例であり、ニューロンにおけるα-アミノ-3-ヒドロキシ-5-メチル-4-イソオキサゾールプロピオン酸型グルタミン酸受容体（AMPA 型受容体）の新規タンパク質合成依存的な発現量の上昇を伴う<ref><pubmed>9716131</pubmed></ref>。実際に、げっ歯類を用いた恐怖音条件付け学習の際に外側扁桃体のニューロンにおいて学習依存的に機能的なAMPA 型受容体がシナプスへ組み込まれ、このAMPA型受容体の組み込みを阻害するとLTPだけでなく恐怖記憶の獲得および保持が阻害される<ref><pubmed>15746389</pubmed></ref>。加えて、LTPおよび記憶の保持はともに新規タンパク質合成が必要である<ref><pubmed>3401749</pubmed></ref> <ref><pubmed>2874497</pubmed></ref>。さらに、記憶形成時に実際にLTPが観察されたことから、LTPは記憶のシナプスレベルでの素過程であると考えられている。

　これらのことより、学習時に活動したニューロン同士は強いシナプス結合で結ばれた回路を形成しており、ニューロン間のシナプスにおいて生じる神経可塑的変化（シナプス可塑性）がシナプスレベルでの記憶痕跡となりうること、さらに、記憶が経験依存的に活動したニューロン間でのシナプス可塑性を介して脳内に保存されることが示唆された。このようにしてシナプス伝達が増強したニューロンセットが活動することにより記憶の想起が行われる(図1B)。