「場所細胞」の版間の差分

　場所細胞とは、ある特定の場所を通過するときにだけ発火する[[海馬]]の[[錐体細胞]]である。  

[[Image:Placecells.jpg|thumb|400px|'''図1. ラット海馬CA1野の場所細胞の場所受容野マップ'''<br />ラットは、視覚弁別課題と交代反応課題を八の字迷路上で遂行している。同時記録された２８個の場所細胞の発火頻度は、右下にあるカラーバー（最大値（赤）、無発火（青））に示されるグラデーションで表現している。ラットが訪れていない場所は黒で表現している。]]<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[[wikipedia:JA:ラット|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、[[wikipedia:field effect transistor|field effect transistor]](FET)を構成要素とする[[wikipedia:JA:ドレイン接地回路|ソースフォロワ回路]]を[[wikipedia:JA:プリアンプ|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。

#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>

　場所受容野の形成に関しては、[[path integrator仮説]]が提唱されている<ref><pubmed>8987829</pubmed></ref>。path integrator仮説では、航海術の一つである[[wikipedia:JA:推測自律航法|推測自律航法]]（dead reckoning）と同じ原理で場所受容野が形成される。つまり、出発位置から方向と歩数をもとに現在位置を推定しながら目標位置へ進むため、場所受容野はその推定位置に対して形成される。蓄積される誤差は、ランドマークにより補正される。McNaughtonらは、直線走路実験において、目標位置に対して出発位置を変化させると場所受容野も関連して移動するというpath integrator仮説を支持する報告をした。最近では、[[内側嗅内皮質]]がpath integratorの中核であることを支持する報告がある。

　O'keefeとRecceは、場所細胞の発火タイミングは、海馬で観測される[[θ帯域]]の[[脳波]]（[[θ波]]）の[[wikipedia:JA:位相|位相]]と深い関連があることを発見した<ref><pubmed>8353611</pubmed></ref>。場所受容野の中心に近づくに従い、θ波に対する場所細胞の発火タイミングの位相が前進する(theta phase precession)。このことから、そのθ位相と場所細胞の発火タイミングの関連性を調べることにより、その個体が場所受容野に近づくのか、遠ざかるのかを判定することができる。このθ位相歳差は、[[時間符号化]](temporal coding)と考えられる。他方で、場所細胞の場所受容野内での発火は[[発火頻度符号化]](rate coding)と考えられるため、時間符号化と発火頻度符号化の比較研究対象としても活用されることがある<ref><pubmed>12066184</pubmed></ref><ref><pubmed>12066185</pubmed></ref>。  

　Eichenbaumらは、迷路上で交代反応課題(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。  

　場所細胞の発火は、動物が走っているときに観察されるが、静止している睡眠時にも活動する。しかし、その発火パターンは場所に依存しない。1994年、WilsonとMcNaughtonは、覚醒時から睡眠時に渡って数十の場所細胞の活動を調べることにより、覚醒時に発火活動に相関のある場所細胞ペアは、睡眠時にも相関が強いことを発見した<ref><pubmed>8036517</pubmed></ref>。Wilsonらは、この研究を更に進展させて、数十の場所細胞の発火パターンが、ノンレム睡眠中、特に脳波に[[鋭波]](sharp wave/ripple)が観察されているときに、場所細胞が同じような発火パターンで再生（replay）されていることを発見した。発火パターンは時間軸上で数倍に圧縮されている。睡眠時だけではなく、覚醒時の不動状態の鋭波発生時にも覚醒運動時と同様な発火パターンが圧縮されて再生されることが報告されていたが、Wilsonらは逆向きに再生される発火パターン（reverse replay)も発見している。Dragoiと[[wikipedia:JA:利根川進|Tonegawa]]は、睡眠中に発生する場所細胞の発火パターンが、その後の未知の条件下で再生されるプリプレイ（preplay)という現象も報告している。

　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。

　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、Moser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。

　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、[[wikipedia:David Marr (neuroscientist)|Marr]]が提言したパターン分離、[[パターン完成|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。  

　老齢ラット海馬CA1野の場所細胞は、若齢ラットよりも小さな場所受容野を示す。しかしCA3野では、より大きな場所受容野を示し、発火頻度も高い。 高齢ラットでは、場所受容野の非対称拡張の度合いが減少する。老齢ラットの場所細胞は、すでに体験した親しんだ環境であっても、毎回異なる場所受容野を示す<ref><pubmed>9230435</pubmed></ref>。  

　場所細胞の場所情報は、海馬で生成されているのか？Moserらは、海馬の一シナプス上流にあり、海馬への情報入出力を担う[[内側嗅内皮質]](medial entorhinal cortex)に、単なる場所ではなく、その場所受容野が格子状になる[[格子細胞]](grid cell)を発見した<ref><pubmed>15333832</pubmed></ref>。格子細胞の場所受容野は、海馬と同様に再配置(realignment)が起こることが報告されている。嗅内皮質II,III層は海馬へ投射し、海馬はV,VI層へその出力を投射している。しかし、格子細胞は割合などが異なるがいずれの層でも見つかっている。また、海馬を損傷させると、格子細胞の場所受容野が不安定になることから、格子細胞は場所細胞の場所情報の単純な情報源ではなく、海馬と嗅内皮質の相互作用によってそれぞれの場所情報が安定的に形成されると考えられる。  

　1984年にRanckは、ラットのper subiculumにおいて頭が向いている方向に受容野を持つ錐体細胞を発見し、[[頭方位細胞]](head direction cell)と名づけた。場所細胞の場所受容野は、方向に依存することもあり、その方向情報は頭方位細胞由来と考えられている。現在では、頭方位細胞は[[anterior thalamus]]、[[retrosplenial cortex]]、[[lateral mammillary nucleus]]、[[dorsal tegmental nucleus]]、[[striatum]]、[[entorhinal cortex]]にも存在することが明らかになっている。

<references />