記憶のアイデンティティを保つ仕組みを解明

ポイント

• 知識は複数の記憶情報を共有化することで形成されるが、個々の記憶のアイデンティティがどのような仕組みで保たれているのかは不明だった。
• マウスを用いて、共有化された記憶を担う細胞（エングラム細胞）が持つ異なるシナプスの伝達効率の制御が、それぞれの記憶のアイデンティティを担うことを明らかにした。
• 記憶のアイデンティティの喪失は、記憶障害を伴う認知症などに密接に関わっていることから、本成果はこれらの疾患の予防・治療法の創出にもつながると期待される。

＜研究の背景と経緯＞

異なる経験により形成される複数の記憶情報を関連する記憶として連合させ、新しい意味を持った記憶（知識）として貯蔵することは、知識や概念の形成という観点から注目を集めています。

近年、個々の記憶は経験時に活動した特定のエングラム細胞集団として脳内に蓄えられていること、また、記憶同士が相互作用するときには、それぞれの記憶をつかさどるエングラム細胞を両方の記憶が共有し、その結果として記憶同士の間に関連付けが形成されることが明らかになってきました。一方で、それぞれの記憶が相互作用しても、元々の記憶のアイデンティティは保たれていますが、どのような仕組みによりアイデンティティが保たれているのかは不明のままでした。

＜研究の内容＞

他の記憶と相互作用しつつ個々の記憶のアイデンティティを保持するメカニズムの解明に「シナプス特異性」の観点から取り組みました。

逆行性健忘を引き起こす実験系の構築

本研究では、マウスを用い、まず、再固定化の阻害^注６）により、音恐怖記憶の逆行性健忘を引き起こす実験系を構築しました。

条件刺激^注７）として７ｋＨｚの音、無条件刺激^注７）として電気ショックを組み合わせて条件付けを行い、１日後に７ｋＨｚの音の提示で音恐怖記憶を想起させた（テスト１）直後に、この記憶の責任領域の扁桃体に種々の薬液を注入し、その効果を測定しました（図１Ａ）。記憶の想起直後にアニソマイシン^注８）を投与し、たんぱく質合成を阻害した群では、次の日に音提示により恐怖反応であるフリージング（すくみ反応）が低下しており（テスト２）、部分的な健忘が引き起こされました。想起に伴う記憶の減弱化を促進することが知られているタットベクリン^注９）をアニソマイシンと共に投与した群では、ほとんどすくみ反応を示さず、完全な健忘が引き起こされました（図１Ｂ）。

また、条件付けの時に活動した扁桃体の神経細胞をｏＣｈＩＥＦ^注１０）で標識しておくことで（図１Ａ左端）光照射のみで扁桃体のエングラム細胞を人為的に活性化することができるようにしました。そこで、逆行性健忘を引き起こした翌日に、音刺激のない状態で光照射をすると（図１、テスト３）、アニソマイシン投与群では健忘を引き起こしていない実験対照群と同程度の高いすくみ反応を示しました。一方でタットベクリン＋アニソマイシン投与群では、光照射しても全くすくみ反応を示しませんでした（図１Ｃ）。これらの結果より、部分的な健忘ではエングラムは残っているのに対して、完全な健忘状態ではエングラムは消失しており、記憶そのものが消え去っていることが強く示唆されました。

記憶のアイデンティティを保つ仕組み

マウスに、扁桃体を必要とする学習である２種類の音による恐怖条件付けとして、最初に「７ｋＨｚの音＋電気ショック」、次にその５時間後または２４時間後に「２ｋＨｚの音＋電気ショック」を行いました。学習後、マウスは７ｋＨｚ、２ｋＨｚのいずれの音を聞いても恐怖反応であるフリージング（すくみ反応）を示すようになりました（図２Ａ）。２種類の条件付けを与える間隔が、実験対照群として用いた２４時間の場合はどちらの音に対しても同程度のすくみ反応を示しましたが、実験群の５時間の場合は後で条件付けに用いた２ｋＨｚのブザー音に対するすくみ反応が増大しました。この結果は、短い間隔の条件付けでは、２つの記憶の間に相互作用が形成されたことを示しています。

その際に、扁桃体領域において、各記憶に応答して活動したエングラム細胞集団をｃａｔＦＩＳＨ法^注１１）により特定したところ、５時間間隔で２つの条件付けを行った群では両記憶を担うエングラム細胞集団が６０パーセントという非常に高い共有率を示し（図２Ｂ）、共有化されたエングラム細胞集団が両記憶の関連付けを担っていることを示しています。

その一方で、７ｋＨｚの音で条件付けされたマウスは２ｋＨｚの音に対して、２ｋＨｚのブザー音で条件付けされたマウスは７ｋＨｚの音に対しては、いずれもすくみ反応を示さなかったことから（図２Ｃ）、それぞれの記憶は区別されており、記憶のアイデンティティは保たれていることが分かりました。

これに対して音情報をつかさどる大脳皮質の聴覚野においては、それぞれの音に応答して活動した音のエングラム細胞集団は低い共有率（２０パーセント）を示し、２つのエングラム細胞群が独立していることが分かりました（図２Ｂ）。

以上から、扁桃体では２つの音恐怖記憶が同じエングラム細胞群により担われているのに対して、聴覚野では２つの音記憶は異なるエングラム細胞群が担っていることが分かりました（図２Ｄ）。これらの結果から、聴覚野の２種類のエングラム細胞群は、扁桃体の同一の音恐怖エングラム細胞上にシナプスを形成していることが想定されました。

記憶の同一性はシナプス可塑性が担っている

扁桃体のエングラム細胞上の異なるシナプスが、記憶のアイデンティティを担っている可能性を検討するため、聴覚野のエングラム細胞と扁桃体のエングラム細胞の間のシナプスに長期抑圧（ＬＴＤ）^注１２）を誘導し、その影響を調べました（図３）。２つの音恐怖条件付けを５時間間隔で行うにあたり、最初の７ｋＨｚの音に対して活動した聴覚野エングラム細胞をｏＣｈＩＥＦで標識し、扁桃体に投射している神経終末の活動を光照射で操作してＬＴＤを誘導しました（図３Ａ）。その後、マウスは７ｋＨｚの音に対し低いすくみ反応を示し音恐怖記憶の減弱を示したのに対して（テスト３、図３Ｂ）、２ｋＨｚの音恐怖記憶は影響を受けず正常でした（テスト４、図３Ｂ）。この実験では、聴覚野の７ｋＨｚエングラム細胞と扁桃体の音恐怖エングラム細胞の間のシナプスのみにＬＴＤを誘導していることから、この結果は記憶のアイデンティティはエングラム細胞上に存在する異なるシナプスの可塑性が担っていることを意味しています。

また、相補的な実験として、エングラム細胞間のシナプス特異的に長期増強（ＬＴＰ）^注１２）を誘導しその影響を調べました（図４Ａ）。２つの記憶を形成した後、それぞれの記憶を想起した直後に扁桃体にアニソマイシンとタットベクリンを投与して再固定化を阻害し、それぞれの音恐怖記憶に逆行性健忘を引き起こしました。その後、上記と同じ７ｋＨｚエングラム細胞と音恐怖エングラム細胞の間のシナプスに光遺伝学的にＬＴＰを誘導すると、７ｋＨｚの音恐怖記憶は回復したのに対して、２ｋＨｚの音恐怖記憶は減弱したままでした（図４Ｂ）。

結論

以上の結果より、２つの記憶の相互作用はエングラム細胞の共有化で行われている一方、それぞれの記憶のアイデンティティはエングラム細胞上のシナプス可塑性を記憶ごとに使い分けることで担保されていることが初めて明らかになりました。

＜今後の展開＞

さまざまな記憶がアイデンティティを保ちながら、関連付けられていく仕組みを解明した今回の研究は、知識や概念を形成するヒトの精神活動の理解に向けての重要な一歩となります。記憶のアイデンティティの喪失は、ＰＴＳＤ（心的外傷後ストレス障害）を始めとする精神疾患や記憶障害を伴う認知症などに密接に関わっていることから、今回の研究成果はそれら多くの疾患の根本的な予防法や治療法の創出につながると期待されます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１）記憶のアイデンティティ

記憶同士の間に関連付けが行われても、それぞれの記憶そのものは異なるものとしてアイデンティティを保っている。例えば、東京ドームで野球観戦した後に銀座のレストランでディナーを楽しんだ、というように連続して起きた出来事の記憶は関連付けて覚えているが、もちろん野球観戦とディナーは別々の出来事として記憶されている。

注２）エングラム細胞

記憶を担う神経細胞群のこと。記憶は脳内にある特定の神経細胞集団として符号化されて蓄えられる。学習時に活性化した特定の神経細胞のセットという形で脳の中に残った物理的な痕跡が「エングラム（痕跡）」である。何らかのきっかけでこの神経細胞集団が活動すると、その記憶が想起される。

注３）扁桃体

情動反応の処理を司る脳領域のこと。恐怖条件付けでは、音などの条件刺激（注６参照）の情報とショックなどの無条件刺激（注７参照）の情報が扁桃体で関連付けられて恐怖記憶を形成する。

注４）シナプス可塑性

経験に応じて神経細胞間のシナプスの伝達効率が変化（増強、あるいは減弱）し、その変化が長時間続くこと。細胞レベルでの学習・記憶の基礎過程であると考えられている。以下に記載されている長期抑圧（ＬＴＤ）や長期増強（ＬＴＰ）が代表例である。

注５）逆行性健忘

過去の記憶を思い出すことができない障害のことを指す。逆行性健忘は記憶そのものが失われたために生じるのか（エングラムの消失）、あるいは、エングラムは残っているが想起のプロセスに障害があるのかについては議論となっていた。

注６）再固定化の阻害

再固定化とは、脳内に保存された記憶が想起された後に、その記憶を再び固定し脳内に再保存するプロセスのことを指す。固定化（安定化）された記憶においても、その記憶は想起されると、一度不安定な状態となることがあり（不安定化）、脳内に安定した状態で再保存されるには、「再固定化」が必要である。再固定にはたんぱく質合成が必要であるため、想起時にたんぱく質合成を抑制すると再固定化が阻害され、逆行性健忘を引き起こす。

注７）条件刺激、無条件刺激

条件刺激：動物に対してそれ自体では恐怖反応などを誘導しない音、光、場所（文脈）などの刺激。

無条件刺激：電気ショックなどのように恐怖反応を引き起こす刺激。
これらを対提示することにより両者の関連性を学習し、条件刺激のみで恐怖反応を示すようになる。本研究の音恐怖条件付けでは、条件刺激としてブザー音、無条件刺激として足への電気ショックを行った。

注８）アニソマイシン

たんぱく質合成阻害剤。記憶の想起時にアニソマイシンを投与すると、記憶の再固定化が阻害され逆行性健忘を引き起こす。多くの場合、想起に伴う記憶の不安定化は部分的であるため、部分的な逆行性健忘を引き起こす。

注９）タットベクリン

たんぱく質分解系のオートファジー活性を促進するペプチド。記憶の想起に伴い、エングラム細胞のオートファジーが活性化され、シナプス膜に存在するグルタミン酸受容体を分解する。その結果、シナプス伝達が減衰し記憶の減弱化を引き起こす。タットベクリンは減弱化効果を促進する。

注１０）ｏＣｈＩＥＦ（オチーフ）

光照射により活性化される非選択的陽イオンチャネルである。その際、ｏＣｈＩＥＦ発現細胞は脱分極応答を示し活性化されるため、光照射依存的かつ標的細胞特異的に神経活動を誘導することができる。ミリ秒オーダーの非常に早い光反応時間を持つため、１００Ｈｚなどの高頻度の光刺激に対しても適している。

注１１）ｃａｔＦＩＳＨ法（キャットフィッシュ法）

蛍光を利用しｍＲＮＡの局在を調べるＦＩＳＨ法を利用して、神経細胞が活動したタイミングを同定する技術。Ａｒｃ ｍＲＮＡは神経活動５分後に、Ｈｏｍｅｒ１ａ ｍＲＮＡは神経活動３０分後に核内に発現が確認される。この時間差を利用し、３０分間隔で２回のイベントを行った直後の脳サンプルを解析することで、神経細胞がいつ活動したのかを調べることができる。

注１２）長期抑圧（ＬＴＤ）、長期増強（ＬＴＰ）

シナプスの伝達効率は、シナプス前後の神経細胞の活動パターンにより、長期間にわたり増強したり（ＬＴＰ）、減弱したりする（ＬＴＤ）。本研究では、光遺伝学的手法により、シナプス前細胞の神経終末に発現したｏＣｈＩＥＦに光照射することで、人為的にＬＴＤやＬＴＰを誘導している。１Ｈｚの連続した光照射でＬＴＤを、１００Ｈｚの光照射でＬＴＰを誘導することができる。

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