「位相コーディング」の版間の差分

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佐藤直行
<font size="+1">[https://researchmap.jp/satonao 佐藤 直行]</font><br>
公立はこだて未来大学・複雑系知能学科
公立はこだて未来大学・複雑系知能学科<br>
DOI：<selfdoi />　原稿受付日：2021年7月8日　原稿完成日：2022年1月6日<br>
担当編集委員：[https://researchmap.jp/wagaKBR_ 我妻 広明]（九州工業大学大学院　生命体工学研究科 人間知能システム工学専攻）<br>
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英：phase coding　独：Phasenkodierung<br>
同義語：位相コード化
 
{{box|text=　位相コーディングとは、神経細胞の活動電位（発火）によって表される情報が、集団電位リズムの位相に対する発火タイミングとして表されることを指す。時間符号化（temporal coding）の一種であり、時間のなかでも特に位相が用いられることから、位相コーディングと呼ばれる。}}
 
== 位相コーディングとは ==
[[ファイル:Sato Phase Coding Fig1.png|サムネイル|'''図1. 位相コーディング''']]
[[ファイル:Sato Phase Coding Fig2.png|サムネイル|'''図2. 位相コーディングのさまざまな時間発展'''<br>'''(a)'''位相が進む、'''(b)''' 位相は一定、'''(c)''' 特定の位相構造がない。]]
　[[神経細胞]]の活動によって何らかの事象（例えば、[[感覚器]]への刺激の強さ）を表す方法を[[神経コーディング]]（[[神経符号化]]）と呼ぶ。神経コーディングは、発火の頻度で情報を表す[[発火頻度符号化]]（rate coding）、発火タイミングの時間構造で情報を表す[[時間符号化]]（temporal coding）などに分類され、位相コーディングは時間符号化の一種である。
 
　[[局所集団電位]]として計測される神経細胞の集団活動は、しばしば明瞭なリズム活動を示す。位相コーディングでは神経細胞の発火が[[集団電位]]のどの位相で起こったかによって情報を表す（'''図1'''）。位相コーディングとみられる現象は、[[海馬]]、[[大脳皮質]]、[[嗅球]]などで観測されている。これらの観測では、位相コーディングが関わる集団電位は、主に[[δ波]]や[[θ波]]などの低周波数帯域であることが多い。一方、それぞれの現象は、位相コーディングの時間発展の構造が異なることから（'''図2'''）、別個の生成機序をもつ可能性がある。
 
== 具体例 ==
=== 海馬 ===
　1993年に[[wj:ジョン・オキーフ|O'Keefe]]とRecce <ref name=O'Keefe1993><pubmed> 8353611 </pubmed></ref>は、[[ラット]]が環境を歩くとき、集団電位θ波に対する[[場所細胞]]の発火タイミングの位相が、連続的に進むことを報告した（[[θ位相歳差]]；theta phase precession）（'''図2a'''）。場所細胞はラットの環境における位置に依存して発火頻度が増減するが、発火頻度だけの情報よりも、発火位相の情報を用いた場合により正確にラットの環境位置を表すことができる<ref name=Jensen2000><pubmed>10805660</pubmed></ref>。また、異なる場所細胞が同時に活動すると、場所細胞が活動する順序で、かつ時間圧縮された位相発火パターンがして繰り返し表れるため、時系列表現として役立つと考えられた<ref name=Skaggs1996><pubmed>8797016</pubmed></ref>。θ位相歳差は、嗅内野の[[グリッド細胞]]でも観測されている <ref name=Hafting2008><pubmed>18480753</pubmed></ref>。
 
　また、[[コウモリ]]の海馬の集団電位は明瞭なリズム活動を持たないが、ラットと類似の位相コーディングが現れることが報告されている<ref name=Eliav2018><pubmed>30318145</pubmed></ref>。位相コーディングの生成メカニズムとしては、非対称的[[脱分極]]（asymmetric depolarization） <ref name=Mehta2002><pubmed>12066185</pubmed></ref>、振動の干渉 (oscillatory interference) <ref name=Burgess2008><pubmed>19021256</pubmed></ref>、[[ワーキングメモリ]] <ref name=Jensen1996><pubmed>10456097</pubmed></ref><ref name=Jensen2005><pubmed>15667928</pubmed></ref>、振動の引き込み<ref name=Yamaguchi2003><pubmed>12836028</pubmed></ref><ref name=Yamaguchi2007><pubmed> 17379502 </pubmed></ref>などが提案されている。
 
=== 大脳皮質 ===
　[[サル]]が順に提示される２つの画像とその順序を覚えるワーキングメモリ課題を行うとき、[[前頭前野]]には記憶保持の期間に画像と関連して持続的に活動する神経細胞が見つかる。このとき、集団電位（32Hz中心）に対する発火の位相タイミングは、第1画像に関する神経細胞は位相進みで、第2画像に関する神経細胞は位相遅れとなることが報告されている ('''図2b''')　<ref name=Siegel2009><pubmed>19926847</pubmed></ref> 。これは、記憶対象の時間順序の記憶が、集団電位の各リズムにおける神経細胞の順序的な発火により保持されることを示唆しており、位相コーディングの一種といえる。このような位相コーティングは[[w:John E. Lisman|Lisman]]らが提案しているワーキングメモリのモデル  <ref name=Lisman1995><pubmed>7878473</pubmed></ref><ref name=Jensen2005><pubmed>15667928</pubmed></ref>と合致する。ただし、モデルはθ波を仮定しているが、同現象では32Hz帯域であり、集団電位の帯域が異なる。
 
　自然動画に対する麻酔サルの[[第一次視覚野]] <ref name=Montemurro2008><pubmed>18328702</pubmed></ref> 、および自然音に対する覚醒サルの[[聴覚野]] <ref name=Kayser2009><pubmed>19249279</pubmed></ref>  では、集団電位（特にδ帯など低周波帯域）に対する発火位相が入力刺激に関する情報を持つことが示されている。この位相コーディングでは、海馬の位相コーディングとは異なり、必ずしも時間連続的な位相発火をするわけではない（'''図2c'''）。生成メカニズムとしては、神経細胞群が入力や集団電位の[[ゆらぎ]]に対して定型の発火パターンを生む性質 <ref name=Tiesinga2008><pubmed>18200026</pubmed></ref>  が関わると考えられる。
 
=== 嗅球 ===
　[[マウス]]が匂いを嗅ぐとき、その吸気は3Hzなどで周期的に起こり（スニッフィング）、[[糸球体]]の神経細胞も同周波数帯で周期的に活動する。これらの神経細胞は匂いに応じてそれぞれ異なる位相で発火し、異なる匂いについて特有の位相発火パターンが現れる。これらの位相発火パターンは匂い種類を表すのに役立つことが示されている <ref name=Iwata2017><pubmed>29216451</pubmed></ref>  。
 
==機能==
　神経細胞集団で位相コーディングが用いられた場合、特定の神経集団群についてのみ[[神経同期活動]]（neural synchronization）が起こる。このため、神経同期活動に期待される機能　<ref name=Buzsaki2004><pubmed>15218136</pubmed></ref>、例えば、[[シナプス可塑性]]、神経活動の[[バインディング]]<ref name=Engel2001><pubmed>11164732</pubmed></ref> 、[[セルアセンブリ]]の形成 <ref name=Harris2005><pubmed>15861182</pubmed></ref> 、神経活動の選択的伝搬  <ref name=Fries2005><pubmed>16150631</pubmed></ref>  などとも関わりがあると考えられる。一方、位相コーディングに特有の機能としては、神経活動の時系列パターン学習への寄与が考えられる。位相コーディングでは、複数の神経細胞の発火が、一定の時間順序を保ったまま、周期毎に繰り返し起こる。この時間幅は[[スパイクタイミング依存可塑性]](spike timing-dependent plasticity; STDP)の時間幅とのの類似があり、一方向的なシナプス可塑性を促すのに都合がよい。これは時間順序の記憶メカニズムの重要な手明かりである。
 
==位相-振幅カップリング==
　集団電位γ波は主に[[興奮性細胞]]の局所集団発火を反映することから<ref name=Fries2007><pubmed>17555828</pubmed></ref>、位相コーディングは、集団電位における[[周波数間カップリング]]（cross-frequency coupling）<ref name=Canolty2010><pubmed>20932795</pubmed></ref>の一種である、[[位相-振幅カップリング]]（phase amplitude coupling）との関わりが深い。位相―振幅カップリングとは、何らかの事象に関連して、早い周波数帯の集団電位リズム（ここではγ波）のパワーが、低い周波数帯のリズム（例えば、θ波）の特定の位相で増大する現象を指す。これまでに、[[θ-γカップリング]]（θ-γ coupling）が時間順序を含むワーキングメモリ<ref name=Lisman2013><pubmed>23522038</pubmed></ref><ref name=Heusser2016><pubmed>27571010</pubmed></ref> や[[エピソード記憶]]<ref name=Nyhus2010><pubmed>20060015</pubmed></ref>に関わること、また、[[α-γカップリング]]（α-γ coupling）が空間のワーキングメモリ<ref name=Roux2014><pubmed>24268290</pubmed></ref>や[[視覚]]処理 <ref name=Jensen2014><pubmed>24836381</pubmed></ref> に関わることなどが議論されている。どの脳部位が、どのような事象に関して、どの周波数帯域の集団電位リズムを用いるかは、位相コーディングと位相-振幅カップリングに共通する課題である。脳大域回路における周波数依存的な部位間連動<ref name=Siegel2012><pubmed> 22233726 </pubmed></ref> とも関わりがある可能性がある。
 
==関連項目==
* [[海馬]]
* [[嗅内野]]
* [[嗅球]]
* [[場所細胞]]
* [[ヘブ則]]
* [[セルアセンブリ]]
* [[細胞外記録]]
 
==参考文献==
<references />

2021年7月8日 (木) 19:46時点における版

佐藤直行 公立はこだて未来大学・複雑系知能学科

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