Cellular code for mnemonic pattern separation in the human hippocampus is revealed by false memories

人間の脳は記憶の達人であり、幼少期の食事の味から友人の顔まで、膨大な個人の経験のライブラリを蓄えることができる。しかし、この能力は繊細なバランスの上に成り立っている。脳がうまく機能するためには、照明や角度が変わっていたとしても、馴染みのある物体が以前見たものと同じものであると認識しなければならない。同時に、古いものと酷似している新しい物体を区別できるほど鋭敏でなければならず、混乱を防がなければならない。このように非常に似通ったものを見分ける能力は、「パターン分離」として知られている。数十年にわたり、科学者たちはこの特定の計算能力が人間の脳に存在するのかどうかについて議論してきた。齧歯類を用いた研究では、記憶に不可欠な深部脳構造である海馬において、このプロセスの明確な証拠が示されているが、人間を用いた研究では決定的な結論が出ていなかった。脳スキャンを用いて人間でこれを確認しようとするこれまでの試みは、個々の細胞の働きを示すには不鮮明すぎたし、他の研究では、人間の記憶細胞は微細な区別を行うにはあまりに広範で一般的すぎると示唆されていた。単一のニューロンからの明確な信号がなければ、人間が真にこの精緻に調整された記憶フィルターを備えているのかという問いは、答えられないまま残されていた。

ある研究チームが、人々の脳内の個々の細胞の電気活動を直接聴くことで、この論争を解決した。彼らは、てんかんの治療のために手術を受けている97人の患者を対象とした。てんかんは、医師が発作の発生源を特定するために、脳の深部に小さな電極を配置する必要がある疾患である。これらの電極により、科学者たちは患者が記憶ゲームを行っている間の3,506個のニューロンの活動を記録することができた。ゲームの中で、患者は一連の画像をまず学習した。その後、古い画像と、それによく似た新しい画像が混ざったものが提示された。患者は、それぞれの画像を見たことがあるかどうか、そしてその答えに対してどの程度の自信を持っているかを判断しなければならなかった。時として、患者は新しい画像を以前見たことがあると誤認するという間違いを犯した。これらのエラーは「偽陽性（誤報）」と呼ばれ、脳が新しい画像を古い記憶から分離することに失敗したときに起こる。研究者たちは、これらの具体的なエラーの瞬間を分析することで、脳がどのように混乱を処理しているのかを観察することができた。

研究の結果、脳には確かにパターン分離のメカニズムが存在するが、それは特定の、希少なタイプの細胞によって実行されていることが明らかになった。研究者たちは、患者が古い画像を正しく記憶したとき、多くの脳細胞が予測可能な方法で発火することを発見した。しかし、決定的な発見は、患者が新しい類似の画像を「古い」と呼び間違えた瞬間に訪れた。その瞬間、海馬にある特定の細胞グループは、患者が「古い」と判断したにもかかわらず、その画像が実際には「新しい」ものであるという信号を出し続けていたのである。これらの細胞は、患者の誤った判断を無視し、その画像が何であるかという真実に固執した。研究者たちはこれらを「パターン分離細胞」と呼んだ。これらの細胞は海馬、扁桃体、およびその他の領域に存在することが判明したが、最も効果的に機能していたのは海馬であった。対照的に、脳内の他の細胞は、その決定が正しいか間違っているかにかかわらず、単に患者が下した決定を信号として送っていた。これは、脳の中に二つの並行した情報の流れ、すなわち、記憶の事実としての真実を保持する流れと、その人が下した最終的な選択を反映する流れが存在することを示している。

研究者たちはさらに、これらの細胞がどのようにして記憶の強さの感覚を生み出すのかを理解するために調査を進めた。人々が何かを覚えているという確信が強いとき、脳の活動は強く、確信がないときは弱くなる。研究によれば、パターン分離細胞がこの滑らかな信頼度の勾配を作り出す責任を負っている。研究者が解析からこれらの特定の細胞の活動を数学的に取り除くと、高い信頼度の記憶、低い信頼度の記憶、そして偽陽性の間の明確な違いが消失した。脳が、記憶の強弱を区別する能力が崩壊したのである。このことは、これらの希少な細胞が、私たちが記憶に対してどの程度の自信を持つかを駆動するエンジンであることを示唆している。これらの細胞がなければ、脳は鮮明な回想と単なる推測の区別をつけることに苦慮するだろう。

細胞の場所も重要であった。パターン分離の信号は、視覚情報を処理する部分である海馬の右側で最も強かった。患者の発作がこれらの細胞が記録された領域に由来する場合、信号は弱くなるか、あるいは消失しており、これはこれらの患者が直面することの多い既知の記憶障害と一致している。また、研究は患者が犯した間違いがランダムなものではないことも確認した。新しい画像を古い画像と混同する可能性は、二つの画像が視覚的にどの程度似ているかに完全に依存していた。画像が似ていればいるほど、脳がそれらを分離することに失敗する可能性が高まり、偽りの記憶へとつながった。これは、エラーが注意力の欠如やランダムな推測によるものではなく、類似したパターンを区別しようとする脳の葛藤の直接的な結果であることを裏付けていた。

この研究は、個々の細胞レベルでのヒトの脳におけるパターン分離の最初の直接的な証拠を提供するものである。これは、ヒトの海馬に、新しい類似の経験を古いものから明確に区別させるフィルターとして機能する特化したニューロン集団が含まれていることを示している。このフィルターが機能するとき、私たちは混乱することなく、見慣れた顔や場所を認識することができる。これが失敗するとき、私たちは知らない人を友人と間違えたり、新しい物体を古いものと見間違えたりすることがある。この研究は、このプロセスが存在することを確認しただけでなく、それを可能にする特定の生物学的機構を特定しており、人間の精神がいかにして記憶を明晰かつ明確に保っているかを知るための新たな窓を開いたのである。