午後に予定されている講義に心が駆け巡るとき、あなたは仕事に向かっています。 事務所に引っ越すときに、自分の話を自分でリハーサルし、同僚が尋ねる可能性がある質問に備えます。 後で、電子メールの受信トレイを間引くと、無限にスクロールしながら昼食のオプションを間引きします。

これらは、現実の世界で私たちが取るすべてのアクションが、私たちが想像しただけの隠された代替アクションをどのように実行するかを示すほんの数例です。 私たちの積極的な意思決定の方法と理由を理解するためにかなりの研究努力が費やされましたが、新しい証拠により、私たちが別の現実に費やす時間も重要な神経学的目的に役立つことがわかります。

脳の多くの部分が連携してメンタルマップを構築しますが、空間ナビゲーションの主な役割は 海馬、 脳の記憶の座、および隣接する嗅内皮質 海馬 そこで生成された情報をより高い処理領域に中継します。

早くも1948年、げっ歯類は迷路学習タスクで報酬へのマップを生成するために、さまざまな環境の手がかりに依存することが提案されました。 しかし、この地図の性質とそれを生成した細胞は謎のままでした。 XNUMX年後、研究者たちは、ラットの特定の海馬細胞が特定の場所に入るとより頻繁に発火することを観察しました。 驚くべきことに、これらの細胞のネットワークの発火パターンは、最初の活性化時に存在した手がかりがない場合でも、時間の経過とともに安定しています。 これらの記述的に名付けられた「場所細胞」の発見は、経路発見の神経生物学的基礎のより正確な調査への道を開きました。

場所のセルが発見されたとき、それらの提案された機能は、特定の空間のXNUMX対XNUMXの地形図を作成することでした。 現実の世界から脳へと向かう途中で、私たちの感覚的表現のほとんどは、いわゆる 地形組織。 あなたの車に乗り込み、未知の部品に向けて出発することを想像してみてください。 目的地への案内には、衛星ナビゲーション、GPS、または紙の地図を利用する場合があります。 マップ上の各ポイントが移動中の特定のランドマークに対応するのと同じように、セルを配置して、環境内の特定のランドマークに固定し、空間に向けます。

私たちの内部空間トポグラフィーはより洗練されており、海馬細胞は特定の刺激、手がかり、または動物がそれらの空間内でどのように振る舞うかという点で報酬の表現をエンコードしています。 たとえば、見知らぬ国の空港に到着したとします。 空港のコンセプトに関する一般的な知識と、おなじみの視覚的なランドマークが、この新しいスペースに固定されているかもしれません。 この情報の一部は伝記であり、他の空港のあなたのユニークな思い出を利用しています。

これらの体験がポジティブであるかネガティブであるかに応じて、これらのスペースの感情的な重要性も個人マップに影響し、これらすべての要因が組み合わさって、ランドマークの単純なアセンブリよりもはるかに豊かなスペースのエクスペリエンスを作成します。

「細胞を配置することで、環境内の特定のランドマークに固定され、空間にあなたを向けることができます。」

霊長類でのより最近の研究では、海馬細胞は霊長類の脳ではげっ歯類の脳とはわずかに異なって機能し、厳密に場所に拘束されないさまざまな刺激の配列に反応して発火することが明らかになりました。 マウス、霊長類、およびヒトでの継続的な研究では、海馬が単独の俳優ではないことも確認されています。 嗅覚皮質に入ります。嗅覚皮質は、感覚情報を海馬に中継し、新皮質への架け橋として機能します。新皮質では、より高度な認知および運動コマンドが発行されます。

研究者は最近、 「グリッド細胞」と呼ばれる嗅内皮質内の細胞のネットワークは、環境に対する相対的な独自の動きをエンコードし、より広いナビゲーション戦略に関して、プレースセルパズルに重要な要素を追加します。 グリッドネットワークは、空間自体からの感覚入力ではなく、内部モーションキューに基づいて、空間内のオブジェクト間の方向と距離をより正確にプロットできます。 これらのシステムは連携して動作し、経験によって修正可能な方法で空間を動的に表現します。新しい情報を柔軟に組み込んでいるだけでなく、時間の経過とともにこれらの空間に慣れることができます。

しかし、空間の表現を念頭に置いた後、それとどのように相互作用するかをどのように決定しますか？ これには積極的な意思決定が必要であり、意思決定の燃料は報酬です。 ここで、ナビゲーションシステムを構成するニューロンの非空間属性が特に重要になります。 げっ歯類の研究全体で研究者は、環境内の特定のオブジェクトの認識された報酬値または重要性が、細胞の発火パターンをその方向により大きくシフトさせる可能性があることを発見しました。 したがって、迷路内の特定のターンまたは場所に関連付けられた、より高い予測報酬値は、 その方向の動きを予測する。 では、選択されていないパスはどうでしょうか？

最近、 UCSFの研究者 彼らは空間ナビゲーションタスクを完了したときにラットの海馬の場所の細胞発火を測定しました。 ラットは迷路の中に置かれ、選択ポイントで分岐した経路間を選択したときに、その神経活動がリアルタイムで画像化されました。 このようにして、研究者たちは、ラットが選択して迷路の各腕に対応し、それに沿って移動した後の迷路の各腕に対応する場所細胞発火のユニークなパターンを割り当てることができました。

驚くべきことに、ラットが選択ポイントに近づくと、迷路のどちらかの腕を表す場所セルのセットのそれぞれが交互に急速に発砲し、選択が行われる前にいずれかの可能な未来にサイコロを転がしました。 これが意味することは、動物が最終的にリアルタイムで移動する経路だけでなく、可能な代替経路も神経空間で等しく表現され、未来の精神的表現の機構的説明を提供することです。

「可能な代替経路は、神経空間で等しく表現され、未来の精神的表現のための機械的な説明を提供します。」

げっ歯類では、ナビゲーション研究は、実際の環境の複雑さを捉えることができない単純なテーブルトップアセンブリで行われます。 バーチャルリアリティ パーソナルエンターテインメントとしてますます人気が高まっていますが、空間ナビゲーション研究においてこれまでにないレベルの多様性と制御を研究者に提供しています。 英国のあるグループは、Sea Hero Questと呼ばれるモバイルゲームを使用して、記録にある年齢グループ全体の空間推論に関する最大のデータセットのXNUMXつをキャプチャしました。

ゲームプレイデータ は、19歳になると空間的推論が減少し始める可能性があることを示しており、プレイヤーのルートの選択は、アルツハイマー病の臨床診断マーカーとして長い間使用されてきたAPOE遺伝子のe4バリアントを運ぶかどうかによって異なりました。 単純なモバイルゲームを臨床データ収集ツールに変えるこれらの新しい戦略は、神経変性疾患がどのように進行するかについての正確な理解を大幅に拡大し、高度に個人化された早期診断の開発を加速することができます。

私たちが将来についてどう考えるかについての私たちの理解の多くは、過去を思い出すことができなくなった患者を研究することから生まれました。 神経科学のごく初期の頃から、病変研究が脳のさまざまな部分の機能について学ぶために私たちが自由に使える最も有益なツールであることが多かったとき、私たちは 記憶の想起には海馬が必要.

海馬の損傷は、健忘症、ならびに空間的推論の障害に関連しています。 しかし、いくつかの画期的な研究は、海馬の損傷がまた、仮想の出来事を想像する能力を妨げることを示しています。 一貫して、健忘症の患者は、最近の伝記情報を思い出すことが困難であるだけでなく、プロンプトが出されたときに、彼らの生活の中で今後のイベントについての一般的な声明しか提供できません。

記憶喪失は私たちが年を取るにつれて一般的ですが、多くの研究が示すように、 宇宙をナビゲートする能力も年をとるにつれて低下します。 これらの赤字は、認知障害の他の一般的な測定よりも早い年齢で現れ、ナビゲーションシステムの機能のいくつかは独特であり、海馬の他の種類の記憶および情報処理とは独立して動作することを示唆しています。

老化した脳で最も脆弱な構造は、嗅内皮質などの動きをエンコードする構造です。 海馬の場所の細胞の発火はまた、古いラットでは不安定になります。 重要なことに、宇宙で私たちを方向づける原因となる構造はまた、アルツハイマー病の病理に対して最も脆弱であり、これはパーキンソン病などのこの他の神経変性状態の潜在的な早期診断基準としてナビゲーション障害を指摘しています。

私たちの日常生活は、意識と無意識の両方の決定で満たされています。 しかし、増え続ける証拠が明らかにしているように、私たちの脳は、私たちが選択した道に沿って、私たちが先に進んだ道と同じくらい移動することができます。

空間ナビゲーション、メモリ、および神経変性の間の複雑な関係について学習を続けると、何があったのかを熟考するために費やす時間は、積極的に計画するために費やす時間と同じくらい重要であることがわかります。 そして、認知機能の低下は年をとるのに通常の部分として受け入れられますが、これらの機能をパズル、単語ゲーム、読書などの単純なメンタルエクササイズに従事させ続けることは、これらの神経経路を維持するのに役立ちます。 同様に、まだ進んでいない経路に沿ってコースをチャート化することにより、ナビゲーションシステムを活用できます。 次回、目の前のタスクに心を戻すのに苦労しているのに気づいたら、少しだけそれをさまよいましょう。

この記事はもともとに登場しました ニューロンを知る

参照：

Buckner、RL（2010）。 予測と想像力における海馬の役割。 心理学の年次レビュー61、27-48。

Coughlan、G.、Coutrot、A.、Khondoker、M.、Minihane、A.、Spiers、H。、＆Hornberger、M。（2019） 遺伝的リスクのあるアルツハイマー病の個別化された認知診断に向けて。 PNAS116（19）、9285-9292。

Diersch、N。、およびWolbers、T。（2019）。 成人の寿命全体にわたる空間ナビゲーション研究のためのバーチャルリアリティの可能性。 Journal of Experimental Biology 222、jeb187252 doi：10.1242 / jeb.187252

Eichenbaum、H.、Dudchenko、P.、Wood、E.、Shapiro、M。、およびTanila、H。（1999）。 海馬、記憶、場所細胞。 ニューロン神経系の機能単位である神経細胞...、23（2）、209-226。

ジョコモ、LM（2015）。 空間表現：断片化された空間の地図。 現在の生物学、25（9）、R362-R363。

Kay、K.、Chung、JE、Sosa、M.、Schor、JS、Karlsson、MP、Larkin、MC、Liu、DF、＆Frank、LM（2020） 海馬における可能な未来の表現間の一定のXNUMX秒未満の循環。 セル、180（3）、552-567。

Lester、AW、Moffat、SD、Wiener、JM、Barnes、CA、およびWolbers、T。（2017）。 老朽化したナビゲーションシステム。 ニューロン 95（5）、1019-1035。

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