私たちはなぜ眠るのでしょうか？マサチューセッツ総合病院が初めて人間の運動皮質リプレイ現象を発見

「これは、人間が睡眠中に運動皮質から再生されることを示す、これまでで最も直接的な証拠です。」

—ダニエル・ルービン博士、マサチューセッツ総合病院神経技術・神経修復センター

私たちはなぜ眠るのでしょうか？

科学者たちは何千年もの間この疑問について議論してきたが、マサチューセッツ総合病院の研究者らがブラウン大学、退役軍人省、その他の機関の研究者らと共同で行った新たな研究により、謎を解く新たな手がかりが得られた。

神経科学ジャーナルに掲載された彼らの研究結果は、人間がどのように記憶を形成し学習するかを説明するのに役立つ可能性があり、最終的には神経疾患や神経損傷に苦しむ人々のための補助ツールの開発に役立つ可能性がある。

実験動物を研究していた科学者たちは、はるか昔に「リプレイ」と呼ばれる現象を発見したと、マサチューセッツ総合病院神経技術・神経修復センターの神経科医で、この研究の主執筆者であるダニエル・ルービン博士は説明した。

リプレイは理論的には、脳が新しい情報を記憶するために使用する戦略です。マウスが迷路を進むように訓練されている場合、モニタリング機器は、マウスが正しい経路を通過するときに脳細胞、つまりニューロンの特定のパターンが点灯して発火することを示すことができます。

「その後、動物が眠っているときに、これらのニューロンが同じ順序で再び点灯し、発火するのを見ることができました」とルービン博士は語った。

科学者たちは、睡眠中の神経細胞の発火の再生は、脳が新しく学んだ情報を練習する方法であり、それによって記憶が強化され、短期記憶から長期記憶に変換されるのだと考えています。

ダニエル・ルービン博士

しかし、リプレイは実験動物においてのみ説得力のある形で実証されている。

「神経科学には未解決の疑問がある。人間が物事を学ぶ方法に関するこのモデルは、人間にとってどの程度当てはまるのだろうか？そして、それは異なるタイプの学習にも当てはまるのだろうか？」マサチューセッツ総合病院の神経技術・神経修復センターの共同所長であり、この研究の共同上席著者であるシドニー・S・キャッシュ博士はこう尋ねた。

キャッシュ氏は、重要なのは、運動技能を学習する際にリプレイ現象が発生するかどうかを理解することが、神経疾患や神経損傷の患者に対する新たな治療法やツールの開発に役立つ可能性があると述べた。

シドニー S. キャッシュ博士

人間の運動野（運動を制御する脳の領域）でリプレイが発生するかどうかを調べるために、ルービン、キャッシュ、および彼らの同僚は、脊髄損傷により四肢麻痺となり、上肢と下肢を動かすことができない36歳の男性を被験者として採用した。 T11 と識別されるこの患者は、画面上でコンピューターのカーソルとキーボードを使用できる脳コンピューターインターフェースデバイスの臨床試験に参加していた。

この研究では、T11 はビデオゲーム「Simon」に似た記憶課題を実行するよう求められました。この課題では、プレーヤーは点滅する色の光のパターンを観察し、その順序を思い出して再現する必要があります。彼は、手の動きを考えるだけで、コンピューター画面上のカーソルをコントロールできます。

T11 の運動皮質に埋め込まれたセンサーは、意図した手の動きを反映するニューロンの発火パターンを測定し、画面上でカーソルを動かして目的の場所をクリックできるようにしました。これらの脳信号は記録され、ワイヤレスでコンピューターに送信されます。

その夜、T11 が自宅で眠っている間に、彼の運動皮質の活動が記録され、ワイヤレスでコンピューターに送信されました。 「私たちが発見したのはかなり驚くべきことでした。彼は基本的に、眠っている間に一晩中ゲームをプレイしていたのです」とルービン博士は語った。数回の睡眠セッション中、T11 のニューロンの発火パターンは、その日の早い時間に行われた記憶マッチング ゲーム中に発生したものとまったく同じでした。

「これは、人間の睡眠中の運動皮質におけるリプレイ現象に関するこれまでで最も直接的な証拠だ」とルービン氏は語った。研究で検出されたリプレイのほとんどは、深い睡眠の段階である徐波睡眠中に発生しました。興味深いことに、T11 が夢を見る段階である REM (急速眼球運動) 睡眠にあるとき、リプレイが検出される可能性ははるかに低かった。ルービン氏とキャッシュ氏は、この研究がリプレイ現象とそれが人間の学習と記憶において果たす役割を理解する上で基礎となると考えています。

「この情報を活用して、より優れた脳コンピューターインターフェースを構築し、負傷後に人々がより早く、より効果的に制御を取り戻すための学習を支援するパラダイムを考案したいと考えています。」キャッシュ博士は次のように語った。「この研究は、参加者との密接な交流から大きな恩恵を受けており、T11とブレインゲート臨床試験の他の参加者に感謝しています。」

オリジナルリンク:

https://www.massgeneral.org/news/press-release/clues-brain-activity-sleep-could-aid-people-neurologic-disease