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# 生物学 # 神経科学

脳のつながりと記憶形成を理解する

この研究は、脳の接続が記憶と学習をどう支えているかを探っているよ。

Raphaël Bergoin, A. Torcini, G. Deco, M. Quoy, G. Zamora-Lopez

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脳の接続性と記憶の研究 脳の接続性と記憶の研究 を探る。 脳のつながりが記憶の保持にどう影響するか
目次

脳は複雑なネットワークで、いろんな部分が一緒に働いてるんだ。別々の機能と組み合わさった機能を両方できるようにつながってる。この構造は便利で、特定の領域で情報を処理しながら、脳の部分同士がコミュニケーションを取れるようにしてる。科学者たちは、こういうつながりが自然に形成される仕組みに興味を持ってて、脳は特定の生物学的ルールに従いながら学び、適応する必要があるんだ。

脳がこういうつながりをどうやって形成するかを説明する一つの方法が、シナプス可塑性っていう概念なんだ。これは、経験や学びに基づいて脳がつながりを変えることができるって意味。新しいことを学ぶと、脳の細胞の間の特定のつながりが強くなったり、他のが弱くなったりする。この可塑性は記憶を保存するために重要で、脳の中ではいろんなプロセスが同時に起こってる。これには化学的信号の変化や、脳細胞間のつながりの調整が含まれるんだ。

眠ってる時、脳は記憶を再生するフェーズを通って、これらのつながりを強化する助けをしてる。起きてる時は、特定の脳の部分でのランダムな活動のバーストが記憶のリコールにつながることがある。でも、研究の多くは短期記憶に焦点を当てていて、長期間記憶がどう保持されるかについてはまだまだ学ぶことがあるんだ。脳の通常の混沌とした活動が、こういった記憶のリコールイベントとどう共存するのかは不明な部分が多い。

俺たちの研究では、特定の刺激について学ぶときに脳のつながりがどう形成されるかを探ってる。柔軟な脳の環境で記憶がどう維持されるかも調べてるんだ。自発的な記憶のリコールが、学んだことをどう固めるのかを理解したいと思ってる。

モデルとその構造

俺たちは、異なる種類の細胞を使って脳のネットワークを模倣したモデルを作った。このモデルには、活動を刺激する興奮性ニューロンと、活動を抑える抑制性ニューロンの二つの主要なタイプがある。この二つのバランスが良いことが、脳の機能を維持するために重要なんだ。

モデルは80%が興奮性ニューロンで、20%が抑制性ニューロンで構成されてる。この比率は、哺乳類の脳で一般的に見られるものだ。他の多くのモデルとは違って、俺たちのモデルはトレーニングフェーズが停止しても、ニューロンが自分で発火し続けて、時間が経つにつれて適応し、変化し続けることができるんだ。

効果的な学習と記憶形成には、二つの異なるグループの抑制性ニューロンが必要だってわかった。一つのグループは、活動に基づいてつながりを強化する学習のルールに従ってるけど、もう一つのグループは記憶の選択性を促す別のルールに従ってる。学習フェーズの後、ネットワークは、休息中の脳の静かな活動に似た状態に落ち着く傾向があるんだ。

静かな時間の間、形成された記憶に密接に関連する同期した活動の短い瞬間を見ることができる。これらの自発的なリコールは、記憶を維持するために不可欠なんだ。興味深いことに、俺たちのモデルが記憶を保持する能力は、どれだけの抑制性ニューロンが存在するかによって決まる。

モデルのトレーニング

モデルをトレーニングするために、異なる刺激に反応する二つの異なるニューロンのグループを使った。トレーニングでは、これらの二つのグループを交互に使用して、各刺激に関連するつながりを強化した。トレーニング中、モデルは外部からの入力なしでリラックスして適応する時間も与えられ、これは脳が休んでいるときの行動に似てる。

抑制性ニューロンに関して、三つの異なるシナリオを調べた:

  1. すべての抑制性ニューロンが、高度に活動するとつながりを減少させる方法を使った。
  2. すべての抑制性ニューロンが、活動しているときにそのつながりを強化する方法を使った。
  3. 抑制性ニューロンの間で両方の方法を混ぜた。

最初の方法だけを使ったとき、モデルは不均衡になって、一つのグループが他を支配し、記憶の保持が減少した。逆に、二つ目の方法だけを適用したときは、両方のグループが切り離されてしまった。両方の方法を混ぜることで、バランスの取れたネットワークが実現し、二つのグループが記憶を保持しつつ、相互に接続されることができた。

学習後の行動

トレーニングフェーズが終わった後、モデルは休んでいる脳の典型的な行動を示した。一つのグループのニューロンが活動を支配することが多かったけど、これは異なる実行間でランダムに変わることがあった。ネットワークの自発的な活動は、脳が休んでいるときの典型的なもので、たまに記憶のリコールを示す同期のバーストがあったんだ。

混合方法アプローチは、両方のグループが機能してる一方で、お互いを抑制し合って、より安定した休息状態に導くことを示した。これらの結果は、記憶を維持し、安定したネットワークダイナミクスを確保するには、両方のタイプの抑制性ニューロンを組み合わせる必要があることを再確認した。

記憶の統合と維持

研究の次のステップは、休息フェーズ中の自発的なイベントが記憶の統合を助けるかどうかを調査することだった。トレーニングが中途半端に終わったシナリオを作り、不完全な記憶構造を生じさせた。刺激なしで進化させると、各グループ内のつながりが強化され始めることがわかった。

この休息フェーズ中、ネットワークは自発的なリコールを通じてつながりを強化することができた。これらのリコールは、記憶構造を完成させ、忘れるのを防ぐのに役立った。このことは、休息中の自発的な活動が記憶を固めて維持するために重要であることを示唆している。

つながりの再生

俺たちは、モデルが接続の損傷から回復できるかどうかも調べた。興奮性ニューロンをランダムにして、抑制的な接続を保持した場合がどうなるか試した。このアプローチでは、元の記憶構造のいくらかを回復することができた。逆に、抑制的な接続をランダムにした場合、モデルはさらに良い形で記憶を復元することができたんだ。

この違いは、興奮性接続はより変わりやすく、失うことに対して脆弱である一方で、抑制的な接続を維持することが長期的な記憶保持に重要な役割を果たすことを強調している。

記憶容量の検討

俺たちのモデルがどれだけの記憶を保持できるかを理解するために、訓練した刺激の数を増やした。抑制性ニューロンの数が、どれだけの記憶を整理してリコールできるかの制限を設定することがわかった。各記憶は、一定数の興奮性と抑制性ニューロンを必要とするので、比率が記憶容量に重要な役割を果たしてる。

俺たちの発見では、約66%のニューロンが抑制的であるときに最良のパフォーマンスが得られた。でも、この割合は人間の脳には現実的じゃなくて、通常は約20%の抑制性ニューロンしか含まれていない。俺たちは、脳内のさまざまな構造も調べて、含まれるニューロンの数によってその記憶容量を推定したんだ。

重なり合う記憶

最後に、モデルが重なり合う記憶をどう扱うかを探った。この場合、二つの刺激が両方のグループに属するニューロンをターゲットにした。トレーニングプロセスは、これらの重なり合ったグループの間で交互に行うように適応され、複数の記憶アイテムをつなぐハブニューロンが出現することができた。

予想通り、これは休息フェーズ中により豊かな活動パターンをもたらし、自発的なリコールが異なり、異なるニューロングループを含むことができた。これらのハブニューロンは、情報の統合と伝達を促進し、脳が複数の記憶をつなげる方法を示している。

結論

結論として、俺たちの研究は、脳の接続が学習を通じてどう発達し、記憶が時間を超えてどう維持されるかについての洞察を明らかにした。興奮性と抑制性ニューロンのネットワークをモデル化することで、記憶の統合における自発的な活動の重要性を示した。ニューロンタイプ間のバランスや記憶のつながりの構造を含むモデルの各側面は、生物学的な現実を反映していて、脳機能についてのより深い理解を提供している。

この研究は、脳がどのように学び、記憶し、時間をかけて進化しながらつながりを維持するのかを研究する必要性を強調している。これは、記憶に関連する障害に対する理解や治療の向上につながるさらなる探求の扉を開いている。

オリジナルソース

タイトル: Emergence and maintenance of modularity in neural networks with Hebbian and anti-Hebbian inhibitory STDP

概要: Brains connectivity reveals modular and hierarchical structures at various scales. This organization is typically believed to support the coexistence of segregation (specialization) and integration (binding) of information. Motivated by developmental processes, some authors have studied the self-organization of neural networks into modular hierarchies mediated by adaptive mechanism under spontaneous neural activity. Following evidence that the sensory cortices organize into assemblies under selective stimuli, other authors have shown that stable neural assemblies can emerge in random neural networks due to targeted stimulation, embedding various forms of synaptic plasticity in presence of homeostatic and/or control mechanisms. Here, we show that simple spike-timing-dependent plasticity (STDP) rules, based only on pre- and post-synaptic spike times, can also lead to the stable encoding of memories in the absence of any control mechanism. We develop a model of spiking neurons, trained to stimuli targeting different sub-populations. The model is intended to satisfy biologically plausible features: (i) it contains excitatory and inhibitory neurons with Hebbian and anti-Hebbian STDP; (ii) neither the neuronal activity nor the synaptic weights are frozen after the learning phase. Instead, the neurons are allowed to fire spontaneously while synaptic plasticity remains active. We find that only the combination of two inhibitory STDP sub-populations allows for the formation of stable modular organization in the network, with each sub-population playing a distinctive role. The Hebbian sub-population controls for the firing activity, while the anti-Hebbian one promotes pattern selectivity. After the learning phase, the network settles into an asynchronous irregular resting-state. This post-learning activity is associated with spontaneous memory recalls, which turn fundamental for the long-term consolidation of the learned memories. Due to its simplicity, the model, here introduced, can represent a test-bed for further investigations on the role played by STDP on memory storing and maintenance. Author summaryOne of the most remarkable qualities of the brain is its capacity to learn and adapt. How the learning process imprints and maintains memories, by shaping the architecture of connectivity among neurons in a constantly changing and dynamic environment, is a major question of neuroscience. Here, we explore the idea that the segregation of inputs received by a neural network, with inputs targeting distinct populations, is a key factor for shaping the architecture of the network. We find that the presence of inhibitory neurons is necessary for the emergence and the long-term maintenance of modularity in spiking neural networks with plasticity. In particular, we show that two different inhibitory sub-populations, one subject to Hebbian and the other to anti-Hebbian plasticity, are required to promote the formation of feedback and feed-forward inhibition circuits controlling memory consolidation. On one side, these inhibitory circuits favour long-term memory consolidation by inducing spontaneous memory recalls in the asynchronous irregular resting phase. On another side, the number of inhibitory neurons control the maximal memory capacity of the considered model.

著者: Raphaël Bergoin, A. Torcini, G. Deco, M. Quoy, G. Zamora-Lopez

最終更新: 2024-12-06 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.07.15.603496

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.07.15.603496.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた biorxiv に感謝します。

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