Cortical high frequency oscillations reflect encoding and retrieval of specific word concepts

人間の脳は、私たちの思考、記憶、そして知覚を生み出すために絶えず発火し続けている、電気信号の広大なネットワークです。数十年来、科学者たちは、私たちが物体を見たり名前を思い出したりする際に、このネットワークの異なる部分が光ることを知っていました。しかし、ある特定の謎が長年残されてきました。それは、脳がいかにして、単一の概念（例えば特定の単語）の正確な詳細を、異なる時間軸にわたって保持し続けるのかという点です。私たちが単語を目にし、その後、その単語を再び見ることはないのにそれを思い出すとき、脳は同じ微小なニューロンの集団を使用してその概念を表現しているのでしょうか。このプロセスを理解することは、私たちの精神がいかにして個別の経験を編み合わせ、一貫した自己や知識の感覚を作り上げているかを明らかにする上で極めて重要ですが、これらの束の間の神経事象を追跡することは、研究者にとって大きな課題であり続けてきました。

このパズルを解くために、研究チームは、てんかんの焦点を探るために頭蓋内電極による記録を行っている最中の、ある特殊なボランティアグループに注目しました。これらの電極は脳の表面に直接配置されているため、非侵襲的な手法では到達できない精度でニューロンの電気活動を検出することができます。科学者たちは、「高周波振動」として知られる特定の種類の急速な電気的バーストに焦点を当てました。これらは、ニューロンの集団が共に発火するときに起こる高速な活動の波であり、記憶の形成と想起における「重労働」に関連していると考えられています。研究者たちは、これらのバーストが単一の単語のシグネチャー（署名）として機能し、患者が単にその単語を見ているときも、記憶からそれを想起しているときも、一貫して現れるかどうかを確認したいと考えました。

実験では、患者に「リンゴ」や「椅子」といった一般的な名詞のセットを見せ、2つの異なるタスクを実行してもらいました。最初のタスクでは、患者は画面上の単語を見ていました。2番目のタスクでは、視覚的な補助なしに、同じ単語を自由に想起するように求められました。これらのセッションは、脳の反応が時間の経過とともに安定しているかどうかを確認するために、後日繰り返し行われました。研究者たちは一つのパターンを探りました。つまり、特定の単語が、患者がその単語を見ているときであっても、あるいは単にそれを考えているときであっても、同じ独特な電気的シグネチャーを誘発するのかどうかです。

結果は、脳がこれらの概念をどのように扱うかを示す、明確で組織化されたマップを明らかにしました。患者が最初に単語を見たとき、電気的バーストは脳の視覚領域に現れましたが、これらの反応はそれほど特異的なものではありませんでした。これらの感覚領域におけるニューロンの約40パーセントだけが、特定の単語に対して特異的に反応していました。信号が脳の前方、つまり高次の思考を司る連合領域へと移動するにつれて、選択性は劇的に高まりました。これらの前方領域において、脳はより精密になり、特定の単語を処理するためだけにほぼ独占的に発火する特定のニューロンの集団が現れました。

最も重要なことに、この研究は、これらの神経学的シグネチャーが持続的なものであることを実証しました。視覚的なスクリーニング・タスク中に特定の単語に反応したのと同じニューロンの集団が、患者が後に同じ単語を想起するとき、たとえそれを引き起こす感覚的な刺激がない場合でも、同様に発火したのです。この選択的な再活性化は、同一セッション内で行われただけでなく、翌日も信頼性高く継続しました。この知見は、脳が単なる漠然とした概念を保存しているのではなく、特定の概念の根底にある大規模なニューロンの集合体の持続的な再活性化を維持していることを示しています。これらの高周波活動のバーストは信頼できる指標となり、私たちが世界の中で単語を見ているときも、自分自身の心の中からそれを想起しているときも、脳は単語を表現するために同じ特定の神経コードを使用していることを証明しています。