「瞬目反射条件づけ」の版間の差分

　古典的条件づけは、「本来は生理的な反応を引き起こさない[[条件刺激]]（CS ; conditioned stimulus）」と「生理的な反応（[[無条件反射]]、UR; unconditioned responses）を引き起こす[[無条件刺激]]（US ; unconditioned stimulus）」を組み合わせて繰り返し提示すると、CSを与えただけでURに類似した応答である[[条件反射]]（CR ; conditioned responses）が見られるようになる学習形態である。最もよく知られている例はいわゆる“[[パブロフの犬]]”であり、CSとしてメトロノームの音を、USとして肉を提示すると、この対刺激によって、音のみで[[wikipedia:ja:唾液|唾液]]の分泌を出すようになる<ref>''' I P Pavlov '''<br> Conditioned reflexes: an investigation of the physiological activity of the cerebral cortex<br>'' Oxford University Press（Oxford）'':1927</ref>。

　瞬目条件づけの場合、通常、[[聴覚]]刺激もしくは[[視覚]]刺激をCSとし、瞬目を引き起こすUSとしては、[[角膜]]や[[wikipedia:ja:眼瞼|眼瞼]]への穏やかな空気刺激もしくは電気刺激が用いられる。このCSとUSを組み合わせて何度も繰り返し提示すると、被験動物は、やがてUSに先行してCSのみで[[まばたき]]や[[瞬膜]]の伸張を起こすようになる。学習の度合いはCRの出現率、すなわちある試行中でCRが出現した試行数の割合によって示される。動物種やパラダイム（後述する）によってその値は大きく異なるものの、[[ウサギ]]の場合、よく訓練されると非常に高い学習率（90%以上）に到達する。

　もっとも初期の瞬目反射条件づけの現象についての報告はヒトを対象としたもので、1922年の文献まで遡れる<ref>'''H Cason'''<br> The conditioned eyelid reaction <br>'' J. Exp. Psychol. 5(3); 153-196.'':1922</ref>。その後、心理学における行動主義の台頭に相まって、多くの重要な心理学的知見が、この瞬目反射条件づけを利用して発見された。例えば、[[ハンフリーズ効果]]、すなわち、連続強化よりも部分強化で条件づけられた行動の方が、消去抵抗が強くなるという現象は、瞬目反射条件づけを用いて発見されたものである<ref>'''L G Humphreys'''<br> The effect of random alteration of reinforcement on the acquisition and extinction of conditioned eyeblink reactions <br>'' J. Exp. Psychol. 25(2); 141-158.'':1939</ref>（ちなみに、この効果の発見により、瞬目反射条件づけの実験では通常CSとUSの対提示だけではなく10回に１回程度CSのみ、あるいはさらにUSのみの試行を組み合わせて行うことが多い）。

　60年代、[[wikipedia:Isidore Gormezano:|Isidore Gormezano]]によりウサギに対してこの連合学習が導入されて以降は、数多くの実験動物を用いた生理・心理学的研究が実施された<ref name=ref9><pubmed> 14168641 </pubmed></ref>。我が国においても、主にヒトを用いた瞬目反射条件づけの心理学的研究が盛んに行われていた時期がある<ref name=ref10>'''山田冨美雄'''<br>瞬目反射の先行刺激効果：その心理学的意義と応用<br>''多賀出版（東京）'':1993</ref>。1980年代後半になり、[[wikipedia:Ronald W. Skelton|Ronald W. Skelton]]によって、発達・加齢と学習との相関を調べる目的で、ラットに対して非拘束下での瞬目反射条件づけを可能とする手技が開発された（'''図1'''）<ref><pubmed> 3166733</pubmed></ref>。90年代に入ると、この方法論が[[ノックアウトマウス]]にそのまま適応され、瞬目反射条件づけの[[行動遺伝学]]が開始された<ref name=ref12><pubmed> 7954803 </pubmed></ref>。特に、小脳の[[シナプス可塑性]]である長期抑圧（Long-term depression; LTD）（後述）と[[瞬目反射条件づけ遅延課題]]との関係性が集中的に調べられることになる<ref name=ref12 />。こうした行動遺伝学的研究によって、[[代謝活性型グルタミン酸受容体1型]]（[[mGluR1]]）、[[PKCγ]]、[[GluRδ2]]、[[内在性カンナビノイド受容体CB1R]]など多くの分子が小脳LTDと瞬目反射条件づけ遅延課題の双方に必要であることが明らかとなり、前庭動眼反射と同様、瞬目反射条件づけにおいても、LTDが記憶形成の神経基盤であるとの「小脳LTD仮説（後述）」が90年代後半には説得力をもって醸成されていった。今世紀に入り、[[瞬目反射条件づけ痕跡課題]]も遺伝子改変マウスに適応され、[[海馬]]におけるシナプス可塑性との相関性が示唆されている<ref><pubmed> 11285019</pubmed></ref>。さらには、特定の時期かつ特定の神経細胞のみで機能を失活させたミュータントマウスに適用することにより、小脳や海馬における特定のシナプス回路が瞬目反射条件づけの記憶形成や保持に果たす役割も詳らかにされつつある<ref><pubmed> 12492436</pubmed></ref><ref name=ref15><pubmed> 17923666</pubmed></ref><ref name=ref16><pubmed> 16452679</pubmed></ref> 。

　後述する遅延課題の場合、その学習の[[記憶痕跡]]の場が、主に[[小脳]]にあることから、とりわけ神経科学の分野で小脳依存性学習もしくは[[運動学習]]としてよく分類・記述される。小脳が記憶形成の場であるとの論拠は、主に実験動物の脳損傷実験と小脳疾患患者の臨床例よりもたらされた<ref name=ref5><pubmed> 6701513 </pubmed></ref><ref name=ref6><pubmed> 8493536 </pubmed></ref>。また多くのニューラルネットワークモデルによっても瞬目反射条件づけの小脳理論が構築され、行動実験の結果との擦り合わせが図られている。

　瞬目の主動筋である眼輪筋（''orbicularis oculi'' muscle）の筋電図（EMG）法は、有効で感度の高い瞬目の検出法と考えられ、現在では多くの動物種の瞬目反射条件づけ研究において頻用される瞬き出力の計測法である（'''図2A'''）。人間やサルを対象とする場合、左下眼瞼と外眼角部に装着した電極対によって眼輪筋筋電図が測定され、USとしては通常空気刺激が用いられる<ref name=ref5 />。眼輪筋筋電図法の短所として顔面部への電極装着による異物感があげられるが、瞬目反射の動作筋そのものの活動を記録するという意味においてもっとも適した計測法とされる<ref name=ref10 />。一方、ラットやマウスに対しては、上瞼の裏側に4本の電極を埋め込み、そのうち2本を眼輪筋筋電図の取得、残る2本をUSとしての電気刺激に用いる方法論が適用される（'''図1'''）。各電極は頭部に取り付けられた着脱可能なコネクタを介して、筋電計に繋がれる。眼輪筋筋電図法以外の瞬目測定法としては、ビデオカメラを用いて瞼の位置を物理的にトラッキングする方法（'''図2B'''）や、小型の磁気サーチコイルを用いた方法論があり、必要に応じて使い分けられる <ref name=ref4 /><ref name=ref10 />。

　他の古典的条件づけと同様に、CSとUSが提示される順序が、瞬目反射条件づけの成立に決定的な要因となる。CSより前にUSが提示されるような課題（[[逆向性条件づけ]]）では、原則的に学習の成立は困難である。一方、CSがUSに先行する課題（先行性条件づけ）で、学習は有効的に成立する。CSの開始とUSの開始の時間的間隔を刺激時間間隔(Interstimulus Interval; ISI）と呼び、ウサギの場合この間隔が200 -250 ms程度で最も学習獲得効率が大きくなることが知られている<ref name=ref9 />。

　瞬目反射条件づけには、USとCSの時間特性の違いによって、[[遅延課題|遅延（delay）課題]]と[[痕跡課題|痕跡（trace）課題]]の2種類の行動パラダイムが存在する（'''図3'''）。遅延課題は、CSとUSに時間的な重なりがあり、かつ同時に終了するようなパラダイムである（'''図3A'''）。痕跡課題では、CSが終了してからUSが提示される。言いかえれば、痕跡課題では、CSとUSの間に無刺激の期間（痕跡間隔）が挿入される（'''図3B'''）。

　両課題ともその記憶獲得に小脳が必要であるが、痕跡課題においては、その痕跡間隔が十分に大きい場合、記憶の獲得に小脳に加えて海馬が必須となる。例えば、ウサギやマウスでは痕跡間隔が500 ms以上の場合、ラットでは250 ms以上の場合、痕跡課題が海馬依存性学習になることが示されている<ref name=ref16 /><ref><pubmed> 2346619 </pubmed></ref><ref><pubmed> 10512579 </pubmed></ref>。なお、遅延課題の場合、海馬を除去しても学習は成立するが、海馬ニューロンの活動を電気的に、あるいは[[スコポラミン]]の投与などで薬理学的に撹乱させると、CRの獲得が遅くなることが知られている<ref><pubmed> 6836277 </pubmed></ref>。従って、遅延課題の成立に海馬は不要であるものの、海馬の異常は遅延課題に影響を与えるという意味において両者は関連性を持っているわけである。実際70年代までは、遅延課題を対象とした研究でも、小脳より海馬ニューロン活動との関連が興味の中心とされていた。小脳と遅延課題との関係が実験的に検討され始めたのは80年代になってからである。ところで、小脳は痕跡課題においても必要であると先述したが、[[小脳皮質]]のシナプス可塑性に障害を持つノックアウトマウスや小脳皮質の唯一の出力細胞である[[プルキンエ細胞]]（PC）が消失した''pcd''（Purkinje cell deficient）マウスでは、痕跡課題の学習能力が正常に保たれていることが発見されてから、痕跡課題には小脳皮質は必須ではないという同意が得られつつある<ref><pubmed> 19931625 </pubmed></ref><ref><pubmed> 11285022 </pubmed></ref>。つまり、[[小脳核]]は、遅延、痕跡両課題に必須であるものの、小脳皮質は遅延課題のみで重要な役割を担っている可能性がある。

[[ファイル:Ykishimoto_fig_3.jpg|サムネイル|300px|右|'''図4. 瞬目反射条件づけ（遅延課題）に関わる小脳回路'''<br>瞬目反射条件づけ（遅延課題）に関わる小脳神経回路図を非常に簡略化して示したものである。CSの情報は、顆粒細胞を辿って小脳皮質のプルキンエ細胞に入力するとともに、苔状繊維を通って中位核にも入力する（紫色の矢印で示す）。他方、USの情報は、下オリーブ核から登上繊維を通ってプルキンエ細胞に入力するとともに、中位核にも入力する（橙色の矢印で示す）。従って、小脳皮質と小脳核の二つの部位でCS-USの連合が生じる。小脳LTDは、平行繊維とプルキンエ細胞間において神経伝達物質の伝達効率が減少する現象である。LTD仮説によれば、プルキンエ細胞から中位核への抑制性出力により、通常はCSのみでCRは出現しないが、LTDによってこの抑制が解除されるとCSのみでCRを発現する経路が顕在化すると考えられている。]]

　瞬目反射条件づけ（遅延課題）に関与する小脳の神経回路について概説する。非常に簡略した模式図を'''図4'''に示した。

　1980年代に南カルフォルニア大学の[[wikipedia:Richard F. Thompson|Richard F. Thompson]]のグループが、同側の小脳破壊（小脳皮質と小脳核の両方の破壊）によって、瞬目反射条件づけ遅延課題の学習獲得が失われることを発見し<ref name=ref5 />、これが瞬目反射条件づけ（遅延課題）に小脳が必要であるとのコンセンサスの礎となった（当初、小脳破壊は単純に、CRの出力を損傷させているだけで、記憶の形成を阻害している訳ではないという反論もアイオワ大学の研究者からなされ、両者との間で論争となったことも付記する<ref><pubmed> 2913208 </pubmed></ref><ref><pubmed> 1432102 </pubmed></ref>）。しかし、小脳核を完全に傷つけずに小脳皮質のみを除去することは実際的には困難であることから、その後小脳皮質が瞬目反射条件づけ（遅延課題）に必須であるかどうかについての議論が長く続くことになる。Thompsonらが、小脳核の重要性を強調したのに対し（ただし彼らのグループは後に、ミュータントマウスを用いてむしろ後者の立場も支持する一連の研究を行ったことは留意すべきである）、代表的にはユニヴァーシティ・カレッジ・ロンドンの[[wikipedia:Christopher H. Yeo|Christopher H. Yeo]]のグループは、注意深い損傷実験により、小脳皮質がより瞬目反射条件づけ（遅延課題）の記憶獲得に重要であるとの言説を唱えた<ref><pubmed> 4043286 </pubmed></ref>。以下の2項でさらに、小脳皮質と小脳核の役割に着目したより具体的な研究例を紹介する。