Basolateral amygdala neurons await oscillatory recruitment into valence-relevant ensembles

脳が状況を安全か危険かを判断する能力は、生死に関わる問題である。バレンス・プロセッシング（価数処理）として知られるこのプロセスにより、動物は経験を「良い」か「悪い」かのいずれかに素早くラベル付けし、報酬に接近するか脅威から逃避するかといった、適切な行動をとることができる。この生存メカニズムは不可欠なものであるが、科学者たちは長年、それがどのようにして起こるのかという正確な電気的機構を理解することに苦心してきた。長年にわたり、研究は2つの別々の手がかりに焦点を当ててきた。一つの調査ラインは、動物が恐怖や報酬を学習したときに活性化する、アンサンブルと呼ばれる特定のニューロン群に着目した。もう一つの調査ラインは、動物が恐怖を感じているか安全を感じているかに応じて速度が変化する、脳内を駆け巡るリズム的な電気波、すなわちオシレーション（振動）を調査した。これまで、これら2つの手がかりは断絶したままだった。研究者たちは、学習に関与する特定の脳細胞が存在すること、そして感情の状態に応じて変化する特定の脳波が存在することは知っていたが、それらの波がいかにして適切な細胞を呼び寄せ、仕事をさせるのかについては分かっていなかったのである。

タフツ大学医学部の研究チームは、これらのリズム的な波がいかにして指揮者のように振る舞い、特定のニューロン群を選択して感情的な記憶に参加させるのかを示すことで、この溝を埋めることに成功した。彼らは、感情の処理における重要なハブである扁桃体基底外側核と呼ばれる脳領域に焦着した。リアルタイムで脳細胞を観察し、精密な電気的リズムでそれらを刺激するための高度なツールを用いて、チームは個々のニューロンが単なる受動的な参加者ではないことを発見した。むしろ、ニューロンは特定の周波数の電気活動に対して固有の感受性を持っている。ラジオの受信機が他の局を無視して特定の局を受信するように、これらの脳細胞は自然に特定の律動的なパターンに反応するように調整されている。研究者たちは、恐怖に関連する遅いリズムが生成されると、回避を制御する領域へと信号を送る特定のニューロンセットが動員されることを発見した。一方で、安全に関連するより速いリズムが生成されると、接近行動を駆動するための別のニューロンセットが動員される。

このメカニズムを解明するために、科学者たちはまず、異なる種類の感情学習が実際に異なるニューロン群を使用していることを確認する必要があった。彼らはマウスに特定の環境に対して恐怖を学習させ、その後、「消去」と呼ばれるプロセスを通じてその恐怖を学習解除させた。脳の異なる部位へ信号を送るニューロンの活動を追跡することで、初期の恐怖反応に関与したニューロンは、危険がなくなったことを学習した際に働くものとは異なっていることを観察した。これにより、脳が対立する感情状態のために別々の細胞チームを使用していることが確認された。しかし、問題は、これらの特定のチームに対して、いつ立ち上がって行動を起こすべきかを何が指示しているのかということであった。

チームは、脳のブレーキとして機能する抑制性細胞が、リズムを設定しているのではないかという考えに注目した。彼らは、光によって脳細胞を制御できるオプトジェネティクス（光遺伝学）という技術を用い、扁桃体内のこれらの抑制性細胞を刺激した。1秒間に4回のペースでこれらの細胞に光を照射することで、恐怖に関連する脳の状態を模倣した。次に、1秒間に8回の速いペースで光を照射し、安全に関連する状態を模倣した。そして、他の脳細胞がどのように反応するかを観察した。結果は明確かつ精密であった。遅いリズムは特定のニューロングループを活性化させ、速いリズムは全く別のグループを活性化した。両方のリズムに反応する細胞もあったが、多くの細胞は非常に選択的であり、リズムが自身の内部的なチューニングと一致したときにのみ発火した。

研究者たちは次に、このチューニングが細胞が生まれ持ったものなのか、それとも学習されたものなのかを知りたいと考えた。彼らは、ディッシュ内の個々のニューロンの電気的特性を測定し、幅広い周波数に対してどのように反応するかを調べた。その結果、ニューロンは、動物が恐怖や安全を経験したことがあるかどうかにかかわらず、自然に特定の周波数を好むことが分かった。これは、脳が、適切なリズム信号によってオンラインにするのを待っている、あらかじめチューニングされた細胞のライブラリを備えていることを示唆している。抑制性細胞はスイッチとして機能し、現在の感情的な状況に応じて適切なチームをライブラリから選択するためのリズムを生成するのである。

このメカニズムが生きている行動中の動物においてどのように機能するかを証明するために、チームはこれらの手法を組み合わせた。まず、恐怖の経験中または安全の経験中に活性化したニューロンに印をつけた。その後、対応する周波数で抑制性細胞を光で刺激した。恐怖の周波数で刺激を行うと、恐怖体験中にマークされたニューロンが再活性化されることが分かった。安全の周波数を用いたときには、安全体験中にマークされたニューロンが再活性化された。これは、脳のリズム状態が単なる感情の副産物ではなく、特定の神経回路を直接的に再始動させる原因であることを実証した。

研究では、これらのニューロンがどこに信号を送っているのかについても調査した。凍結（すくみ）や回避に関与する領域へと投影するニューロンは、遅い恐怖関連のリズムによって動員される可能性が高かった。報酬や探索に関与する領域へと投影するニューロンは、より速い安全関連のリズムによって動員される可能性が高かった。これは、脳がどのように情報をルーティングしているかについての完全な全体像を提供している。すなわち、抑制性細胞がリズムを生成し、そのリズムが自然な周波数への嗜好に基づいて特定のニューロン群を選択し、それらのニューロンが適切な行動を生み出すために適切な部位へと信号を送り届けるのである。

この研究は、脳がいかにして複雑な感情状態を管理しているかを理解するための新しい方法を提示している。それは、脳が新しい状況に遭遇するたびに自分自身を書き換える必要はないことを示唆している。代わりに、ネットワークのリズムがどの既存のツールを使用するかを決定するという、ダイナミックなシステムに依存しているのである。この知見は、このシステムが一方の状態に固執してしまう可能性がある精神疾患、例えば、脳が恐怖のリズムから抜け出せなくなる心的外傷後ストレス障害（PTSD）などの理解にも影響を与える。リズムこそが細胞を動員する鍵であることを理解することで、科学者たちは、いつの日か脳のリズムをリセットし、安全を学習する能力を回復させるための治療法を開発できるかもしれない。この研究は、脳の感情的な生活が、単にどの細胞が活動しているかだけでなく、それらを結びつける精密なタイミングとリズムによって成り立っていることを裏付けている。