脳は、新しいものを見てから数分以内に起こる急速な適応と、数日かけて徐々に蓄積され安定した認識に至る緩やかな強化という、2つの非常に異なる速度で馴染みのある物体を認識することを学習する。7月4日にNature Communicationsに掲載された研究は、これら2つの時間スケールが霊長類の視覚皮質において根本的に異なるメカニズムによって駆動されていることを示しており、システム神経科学における長年の疑問に決着をつけるものである。
この研究は、シカゴ大学のKrithika Mohan、Ulisses Pereira-Obilinovic、David Freedmanと、デューク大学のNicolas Brunelによって行われ、馴化学習課題を遂行する2匹のアカゲザルの下側頭葉（IT）皮質から電気生理学的記録を用いた。IT皮質は視覚物体認識を担う脳領域である。
2つの時間スケール、2つのメカニズム
研究者らは、単一の実験セッション内（数分）および複数セッション間（数日）の両方でIT皮質の神経発火活動を追跡した。その結果、2つの時間スケールでの馴化学習は異なる神経シグネチャを生成し、異なる基礎的可塑性ルールを示唆していることがわかった。
高速の時間スケールでは、単一セッション内で、繰り返し刺激に対する神経反応は急速な減衰を示し、それに伴って自発活動の上昇が見られた。低速の時間スケールでは、セッションを越えて、刺激がより馴染み深くなるにつれて平均的な神経反応は徐々に減少した。
研究チームは、神経データから推論された可塑性ルールを備えたリカレントニューラルネットワークモデルを使用した。モデルは、両方のタイプの可塑性（緩やかな長期変化のためのシナプス可塑性と、急速な短期適応のための内在的可塑性（ニューロン自体の電気的興奮性の変化））が含まれた場合にのみ、観察されたダイナミクスを再現することに成功した。
この二重メカニズムの枠組みは、先行研究における矛盾する結果を調和させる。いくつかの初期の研究では、刺激が馴染み深くなるにつれて神経発火が減少すると報告していたが、他の研究では活動の増加が見られた。新しい結果は、これらの一見矛盾する知見が、同じ皮質回路内で同時に動作する異なる時間スケールを反映していることを示している。
「多くの種類の学習において、私たちは異なる時間スケールで新しい情報に関与します」と研究者らは述べている。「この研究は、霊長類の脳が単一のより遅いプロセスではなく、それぞれがその時間スケールに適した並列メカニズムを使用していることを示しています。」
これらの発見は、即時の感覚経験がどのようにして持続可能な記憶に移行するのかを理解するための新たな枠組みを提供するものであり、これは認知神経科学における基本的な問いである。
雅子 訳