ネズミがどうやって脳を使って時間を測るか

時間の推定って、動くことや記憶を思い出すことなど、生活の中でやるいろんなアクションにとって重要なスキルなんだよね。科学者たちは、脳がどうやって時間を把握しているのかを何年も研究してきたんだけど、脳細胞（ニューロン）が時間を追跡するためのいろんな仕組みを発見してきた。中には、時間が経つにつれて活動が徐々に変わるニューロンもあれば、特定の瞬間に発火するもの、そして複雑なパターンを示すためにグループで働くものもいるんだ。

研究者たちは、動物が異なる時間を待つことを学ぶとき、その「時間コード」が適応して、ニューロンの数が変わらずに待機時間が変わることを発見したんだ。つまり、ニューロンは動物が待たなきゃいけない時間によって活動を伸び縮みさせることができるってこと。でも、これらの時間コードが単一ニューロンレベルでどう機能するかを証明するのは技術的な課題があって難しかったんだ。タイミングタスク中に脳の特定のエリアが妨害されることもあるけど、その妨害が特定の活動から来ているのか、他のプロセスが関与しているのかは分かりづらいんだよね。

直接的な証拠がない中で、時間コードの仕組みを調べる一つの方法は、そのパターンをもっと詳細に見ることなんだ。これまでの実験では、動物が固定された時間ターゲットを学ぶことが多くて、これが個々の試行でのスケーリングを観察するのを妨げてきたんだ。

最近の研究では、科学者たちはラットを訓練して、報酬を受け取るためにどれくらい待ちたいかを選ばせるタスクを行わせたんだ。このやり方で、ラットの脳の活動が単一試行の待ち時間にどう関連しているかが見えるようになったんだ。彼らは、ラットが待っているときに特定の脳のエリアで多くの活動が見られ、ニューロンが時間を積極的にコーディングしていることを示していることが分かったんだ。

#タイミングタスク

ラットは水を得るために穴に鼻を突っ込む特定のタスクで訓練されたんだ。彼らはいつ始めていつ止めるかを決めることができたけど、報酬を得るためには少なくとも最低限の時間はそのまま突っ込んでおかなきゃいけなかった。もしその時間より短く突っ込んでしまったら、罰されることはなかったし、新しい試行をいつでも始めることができたんだ。長く突っ込むほど、得られる報酬も増えていったんだけど、限界があったよ。

訓練は二つのフェーズに分かれて行われた。最初は、ラットが鼻を突っ込むことと報酬を結びつける訓練を受けたんだ。短い時間のフェーズでは、鼻を突っ込むのを最低300ミリ秒維持する必要があった。これを70%以上の確率でできるようになったら、1500ミリ秒以上維持する長時間フェーズに移ったんだ。

#脳の活動を観察する

タスク中にラットの脳の中で何が起こっているのかを観察するために、研究者たちは内側前頭前皮質（mPFC）という特定の脳の部分でカルシウムイメージングという方法を使ったんだ。特別なウイルスを注入して、ラットがタスクを行うときの脳細胞の活動を観察できるようにしたんだ。研究者たちは、ラットが自由に動いているときの脳細胞の活動を観察することができたんだ。

研究者たちは、ラットがタスクを学ぶにつれて鼻を突っ込む時間が徐々に増えていくことを発見したんだ。いろんな突っ込みの時間があったことが観察されて、これは科学者たちが試行ごとのタイミング行動の変動を研究するのに役立ったんだ。

特にmPFCのニューロンの活動を詳しく調べたところ、鼻を突っ込むイベントの異なる部分をコードしているニューロンがたくさんいることが分かった。いくつかは開始時に活動し、いくつかは保持中、他は終了時に活動していたんだ。これらの細胞の行動を見て、彼らはタイミングタスクの異なる側面を担当するニューロンを見分けることができたんだ。

#脳の活動のスケーリング

もっと詳しく見てみると、特定のニューロンが鼻を突っ込む時間に関連する一貫した活動パターンを示していることに気づいたんだ。これらの活動のタイミングを突っ込む時間の長さに応じて正規化した結果、これらのニューロンの活動パターンが合計の突っ込み時間を反映していることが分かったんだ。これは、時間情報が突っ込みの長さに応じたシーケンスで積極的にコーディングされていることを示しているよ。

さらに一歩進んで、この特定のニューロンの活動に基づいて鼻を突っ込むタイミングを予測することもできたんだ。これは、mPFCの活動パターンがラットにとって正確な時間を把握するのに役立っていることを示唆しているんだよ。

#時間コーディングの長期的安定性

他の脳のエリアでの以前の研究においては、時間を表す脳活動のパターンがセッションごとに変化することが見つかっていた。研究者たちは、mPFCの活動もこの不安定さを示すのかを確認したかったんだ。異なるセッションを通じてデータを整列させることで、細胞の活動パターンの安定性を評価することができたんだ。

彼らは、鼻を突っ込む開始時と終了時をコーディングしている細胞がかなり動的でたくさん変わっていたのに対し、時間の表現を担当する持続時間細胞はセッション間でより安定していることを発見したんだ。ほとんどの持続時間細胞は、そのアイデンティティを保ちつつ数週にわたり一貫した時間点を表し続けた、タスクの変更があってもね。この安定性は、他の脳のエリアで見られるものとは対照的で、mPFCには何か独自の特性があることを示唆しているんだ。

#時間表現における活動のスケーリング

この研究では、mPFCの安定した活動パターンが実際にラットの時間の推定方法に影響を与えるかどうかも調べられたんだ。以前の研究では、mPFCを冷却すると彼らのタイミング能力に影響があったけど、タイミングだけが原因なのかは分かりづらかったんだ。

研究者たちは、タスク中にラットが犯したエラーを調べたんだ。彼らは、脳の活動が彼らのタイミングに影響を与える可能性のあるエラーの三つのタイプを仮定した：

1. 一切の連続活動がない、注意散漫の可能性。
2. タイミングを混乱させる順序の乱れ。
3. 活動は正しいが、スケーリングが不正確で、間違ったタイミングになるエラー。

分析の結果、最初の二つのエラーの事例は少なく、つまりラットは間違いを犯したときでも大体 sequential activities を維持していたことが分かったんだ。彼らは正しい試行と間違った試行の間のタイミング精度の違いを定量化することができ、ラットは一般的に報酬を受け取るために必要な最小時間の周りでタイミング閾値の認識に基づいて調整を行っていたことが分かったんだ。

#結論

脳が時間をうまく把握する能力って、学習や行動の大事な側面なんだ。ラットを使った研究を通じて、特定の脳細胞とその活動が正確な時間推定を可能にする仕組みについての洞察を得ることができたんだ。mPFCの持続時間細胞の安定性は、時間コーディングのための特化した神経メカニズムを示唆しているよ。

今後もさらなる研究が必要で、これらの観察の背後にある直接的な因果関係や生物物理的メカニズムを理解することが求められるけど、発見は時間推定における神経パターンの積極的な使い方と、それが正確なタイミングを必要とする行動にどんな役割を果たすかを示しているよ。将来の研究が脳における時間知覚の複雑さをさらに明らかにしてくれることを期待しているんだ。