海馬神経回路の機能ダイナミクス

佐藤直行 公立はこだて未来大学

2014.4.22 第３回 全脳アーキテクチャ勉強会@新橋

目次

• 海馬とは？ • ラット海馬とナビゲーション • ヒト海馬とエピソード記憶 • まとめ

脳における海馬の立ち位置

• 海馬傍回を介して大脳皮質と相互結合 • 評価系（側座核、扁桃体）と連携 • 視床前核を経て前頭葉（実行系）に出力 • “パペッツの情動回路”: 帯状回→海馬→視床下部→視床前核→

海馬損傷患者：H.M.

• 両側海馬の摘出 • 言語、運動など問題なし • 新しい記憶ができない • 古い記憶は大丈夫 • 短期記憶も大丈夫

http://ja.wikipedia.org/wiki/HM_(患者)

Scoville & Milner (1957)

海馬インデックス理論

• 海馬が新皮質の活動のインデックス（ポインタのようなもの）になる、という理論

• 主に、連合記憶を説明（記銘、保持、想起,、認識）

Fig 1A in Teyler & DiScenna (1986) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/3008780

ラット海馬とナビゲーション

ラットのナビゲーション能力

• ショートカット、場所の学習、 “認知地図“ • ”刺激-反応学習”ではない

Fig. 16 in Tolman (1948); http://psychclassics.yorku.ca/Tolman/Maps/maps.htm

海馬破壊実験：ラット

• 海馬を損傷すると、場所を覚えられなくなる • 手続き型ナビゲーションの例（頭頂葉）

(Eichenbaum, 2001)

Morris water maze

図： Morris Water maze、 健常ラットは、すばやく視認できないプラットフォームの位置を学習するが、 海馬損傷ラットは、プラットフォームの位置を学習できない

海馬の構造

• 辺縁系（古い脳）、３層構造 • 秩序だった細胞構築 • 閉回路構造 • ヒトもラットも構造は大まかな構造は類似

Fig. 9 in O‘Keefe & Nadel (1978) The Hippocampus as a Cognitive Map, Oxford University Press. http://www.cognitivemap.net/

~300,000 cells

海馬閉回路（模式図）

海馬と新皮質の結合

• 海馬傍回を介して、新皮質の広い部位と相互に結合 http://www.cognitivemap.net/

場所細胞

• ラットの居る“場所”に選択的に活動する細胞

• 暗闇でも反応 • 視覚手がかりに影響される

http://en.wikipedia.org/wiki/Place_cell

O’Keefe and Dostrovsky (1971)

海馬認知地図仮説

• “海馬に地図が保持される“：他者中心座標 • 右：アトラクタ回路により、複数のマップを記憶するモデル

O‘Keefe & Nadel (1978) The Hippocampus as a Cognitive Map, Oxford University Press. http://www.cognitivemap.net/

Fig 4A in Samsonovich et al. 1997 http://www.jneurosci.org/content/17/15/5900.full

ヘッドディレクション細胞

• 場所によらず、ラットが向いた方向に選択的に活動する細胞 • 視覚手がかりに影響 • 暗闇でも反応

http://www.scholarpedia.org/article/Head_direction_cells

Taube et al. (1990)

Figure from McNaughton et al.(2006)

モデル

図： ヘッドディレクション細胞のリング状回路

グリッド細胞

• 六角格子上の位置に選択的に活動する細胞

• 空間の“距離”を計量的に表現

Figures from http://www.scholarpedia.org/article/Grid_cells

Hafting et al. (2005)

Solstad et al. (2006)

位相歳差現象

• 集団電位リズムに対する発火の位相が、遅れ→進みに連続的に変化する現象

• 場所細胞の通過順を、発火活動の順序に現れる。 • “時間圧縮”表現として、時系列の貯蔵に寄与する

http://www.scholarpedia.org/article/Hippocampus

O’Keefe & Recce (1993); Skaggs et al. (1996)

http://www.scholarpedia.org/article/Spike-timing_dependent_plasticity

時間非対称ヘブ側

位相歳差による時系列記憶

• 位相歳差によれば、秒～数十秒の時間スケールの時系列を記銘・想起できる．

Yamaguchi (2003); Sato & Yamaguchi (2003)

海馬閉回路（まとめ）

グリッド細胞 場所細胞

ヘッドディレクション細胞

位相歳差

ヒト海馬とエピソード記憶

記憶の分類

• 海馬は特にエピソード記憶に関わる • 例：幼児期の海馬損傷患者(Vargha-Khadem et al., 1997)

(Squire, 1992)

ヒト＆サル、海馬関連課題

• 物の場所の記憶：エピソード記憶の実験モデル

King et al, 2003

Ekstrom et al., 2003

Malkova & Mishkin, 2003

Gaffan, 1996

図： 左に円筒、右にボール のような配置を覚える

図： イラスト様の背景の上に記号、背景と記号の組み合わせを覚える

図： バーチャル環境における物体の位置を覚える、想起テストは異なる視点から行う

図： バーチャル環境におけるナビゲーション課題

海馬傍回：物体視・空間視が収斂

• 物体視→周嗅野 • 空間視→海馬傍回皮質

• 海馬への皮質入力の2/3を担う

Squire & Zora-Morgan, 1991

object

space

Rolls et al., 2002

http://www.scholarpedia.org/article/Amnesia

図： 空間入力を連続的、物体入力を非連続的な入力とした連想記憶回路

海馬傍回場所領域

• 視覚シーンに選択的に反応する領域

• ランドマーク、風景などに反応

• 自己中心座標

Epstein & Kanwisher (1998)

図： いろいろな刺激図形に対する、海馬傍回場所領域の活動。

位相歳差による物場所記憶

• 位相歳差によれば、物場所記憶階層構造を記銘できる．この構造は選択的想起に役立つ．

Sato & Yamaguchi (2005)

“slow” to “fast”

海馬閉回路（まとめ）

グリッド細胞

場所細胞

ヘッドディレクション細胞

位相歳差

“物体”情報

“空間”情報