「場所細胞」の版間の差分

英: Place cell 　 <br>  

[[Image:Placecells.jpg|frame|right|図１.２８個の場所細胞の場所受容野マップ（八の字迷路）]]<br>  

O'keefeとDostrovskyは、電気生理学的手法を活用してニューロンの細胞外電位を観察することにより、自由に行動しているラットの海馬から場所細胞を発見し1971年に最初の報告をした<ref><pubmed>5124915</pubmed></ref>。技術的には、FET(Field effect transistor)を構成要素とするソースフォロワをヘッドアンプとすることでノイズを低減し、それとワイヤ電極を組み合わせるという当時の最先端技術を活用することで、その発見は実現された。同時期にRanckらも同様の技術を使った実験を行い場所細胞の活動を見ていたが、場所との関連性には気づいていなかったと言われている。Ranckらは、この後に頭方位細胞(Head direction cell)を発見するなど、場所細胞に関連する数々の重要な報告を行なった。発見当初、O'keefeらは場所細胞はある特定の場所を通過するときにだけ発火するとし、外部環境に左右されると定義した。そのため、その発火パターンは内的な情報には依存しないということが通説であった。これらの場所細胞に関するO'keefeらによる発見当初の見解は、一冊の書籍[http://www.cognitivemap.net/HCMpdf/HCMChapters.html 「The hippocampus as a cognitive map 」]に詳しくまとめられている。そこでは、海馬は心理学者Tolmanにより予想されていた認知地図(cognitive map)の主要素であるという仮説が提唱された。しかし、現在では場所細胞の研究は高度に進展し、その詳細が解明され、O'keefeらの認知地図仮説には数々の修正がなされている。  

 

#場所細胞は、げっ歯類の海馬、特に背側に存在する。

#場所細胞が発火するある特定の場所は、場所受容野(Place field)と呼ばれる。<br>  

#海馬はCA1野、CA3野、歯状回に区分されるが、CA1野、CA3野にある錐体細胞と、歯状回にある顆粒細胞<ref><pubmed>8353604</pubmed></ref>が場所細胞の特性を示し、介在細胞はいずれの領野においても明確な場所受容野を持たない<ref name="wilsonA"><pubmed>8351520</pubmed></ref>。<br>  

#場所細胞の場所受容野は、同一外部環境であっても内的な状態が変化すると再配置される。<br>  

#不動状態では、場所細胞の発火パターンは場所に依存しない。<br>  

#場所受容野の大きさは、個体サイズに依存する。<br>

 

 

 

 

== 場所受容野の方向依存性 ==

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WilsonとMcNaughtonは、数十の場所細胞の活動を計測すればその被検体の頭部位置を数センチメートルの誤差範囲で推定できることを報告した<ref name="wilsonA" />。Wilsonらは、ベイズ推定とカルマンフィルタを組み合わせることにより、より少ない場所細胞数で高精度に位置推定ができることも後に報告している<ref><pubmed>9736661</pubmed></ref>。  

 

Woodらは、迷路上で交代反応課題(Spatial spontaneous alternation task)を行わせると、場所細胞の発火頻度が過去に通った方向、あるいは未来に行く方向に関連して変調されることを報告した<ref><pubmed>11055443</pubmed></ref>。これを４方向迷路に拡張すると、４つの進行方向それぞれに対して発火頻度を上昇させる場所細胞が存在することが明らかになったことから<ref><pubmed>17804637</pubmed></ref>、場所細胞は回想記憶(Retrospective memory)だけではなく、展望記憶(Prospective memory)、つまり、将来行なおうとする行動を想起するための記憶に関連していることが示唆されている。  

 

McNaughtonらは、ラットが何度も走路を行き来すると、場所受容野が移動方向と逆方向に非対称に拡張されることを発見した(Asymmetric expansion of place field) <ref><pubmed>9238078</pubmed></ref>。Wilsonらは、CA3からCA1へのフィードフォワードのシナプスが、スパイクタイミング依存可塑性(Spike timing dependent plasticity)に従いこの場所受容野の非対称拡張現象を起こしていると予測している<ref><pubmed>10774737</pubmed></ref>。  

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== 場所細胞とエピソード記憶 ==

いつ、どこで、何をという一連のエピソードを想起するためのエピソード記憶は、海馬を損傷すると重度の障害を受けることが知られている<ref><pubmed>13406589</pubmed></ref>。しかし、海馬においてエピソードに関連する情報がどのように表現されているかは不明であった。このエピソード記憶の枠組みでは、場所細胞はどこで(where)という情報を表現していると考えられる。Eichenbaumらは、海馬はエピソード記憶の座であると考えられるため、場所細胞の発火パターンは、様々な知覚（視覚、嗅覚など）やその記憶を連合することによって形成されるとする仮説(Relational memory; Conjunctive encoding)を提唱している。この仮説を支持する研究は、場所細胞が場所だけではなく、臭い、新規性（マッチ、ノンマッチ）などにも関連して発火する報告<ref><pubmed>10050854</pubmed></ref>をはじめとして、いくつかの研究グループから報告されている。 また、Eichenbaumらは、場所細胞がイベント列（エピソード）を表現していると考えている。つまり、個体が移動する場合、外的な刺激（視覚などの知覚刺激）と内的な刺激（自らの動きや記憶に基づく刺激）が時々刻々と変化するが、それらの刺激（イベント）の列に対して、場所細胞それぞれが特定の割合で組み合わさることにより反応し、場所受容野が形成されていくと考えている。場所細胞群により表現されているイベント列は、脳内で表現されている文脈とも考えられるため、Mizumoriらは場所細胞は文脈（エピソード）依存的であるという仮説を提唱している。この文脈依存的な場所細胞の形成仮説によると、同じオープンフィールド環境であっても報酬位置が特定の位置にある場合にだけ場所受容野が方向依存的になる理由は、報酬を得るために文脈が必要になり、その文脈に合わせて場所受容野が切り替わるからだと考えられる。

== 場所受容野の再配置  ==

MullerとFentonらは、場所細胞の場所受容野が外部環境に影響されて動的かつ瞬時に再配置されることを突き止めた。そして、部分再配置(Partial remapping)と完全再配置(Complete remapping)に分けられると明らかにした。最近では、Leutgebらの実験により、それらの再配置パターンが、場所受容野と発火頻度が共に変わってしまう包括的再配置(Global remapping)と、場所受容野は同一で発火頻度だけ変化する頻度再配置(Rate remapping)とに分けられ、海馬のCA1,CA3,歯状回でその再配置度合いが異なることを報告した<ref name="leutgeb"><pubmed>15272123</pubmed></ref>。完全再配置と包括的再配置は、同一現象であるという見解もある。

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== 場所細胞におけるパターン分離、パターン完成能力 ==

場所受容野の再配置を観測すると、CA1野,CA3野,歯状回でその再配置度合いが変化することが報告された<ref name="leutgeb" />。この点から、Marrが提言したパターン分離、完成能力 <ref><pubmed>4399412</pubmed></ref>に関して場所細胞の再配置を利用した研究が行われている。歯状回は、最もパターン分離能力が高く、外部環境の微妙な変化によっても場所受容野の再構築が起こる。これに対して、CA1野は、外部環境の変化に線形に対応して場所受容野の再構築が起こり、パターン完成能力が高いといえる。CA3野に関しては、CA1野と歯状回の中間的な反応をする。歯状回に関しては、パターン分離能力よりもパターン完成能力が高いという報告もあったが、Tonegawaらの研究によると、歯状回では新生した顆粒細胞と古い顆粒細胞でパターン分離・完成能力が異なる<ref><pubmed>22365813</pubmed></ref>。このため、電極の留置位置により新生細胞あるいは古い細胞だけを記録する可能性があることから、相反する報告があるものと考えられる。

 

 

 

 

 

 

 

 

Eichenbaumらは、場所細胞は場所だけではなく時間も表現していることを報告した<ref><pubmed>17988635</pubmed></ref>。訓練課題に遅延期間を設定すると、ある特定の場所で、ある特定の遅延時間が経過すると発火する場所細胞が存在する。海馬には場所には依存せずにある特定の遅延時間だけを表現している細胞も存在し、時間細胞（Time cell）と呼ばれている。  

 

Rollsらは、霊長類の海馬では場所ではなく、視点の先にある景観に反応する細胞が多く存在することを報告し、景観細胞(Spatial view cell)と名づけた。げっ歯類とは異なり、霊長類では視覚系と動眼制御系が発達しているため、実際に訪れなくともその場所についての情報を想起したり探索したりできる。この能力が実際に訪れている場所ではなく、現在見ている景観に反応する景観細胞を形成していると考えられる。