神経・脳
ピアノ演奏やスポーツなどの熟練した動作は、繰り返しの練習によって身につきます。こうした運動学習の過程では、脳の一次運動皮質(M1)で、特定のニューロン群が決まった順序で活動する「学習済み活動パターン」が形成されることが知られています。しかし、このパターンをM1自身が生み出して運動を引き起こしているのか、他の脳領域からの指令を受け取って反映しているだけなのかは、長年明らかになっていませんでした。
本研究では、前肢でレバーを押す運動課題を学習したマウスを用い、2光子カルシウムイメージングとホログラフィック光遺伝学を組み合わせた「オールオプティカル」手法で、M1の約550個のニューロンの活動を記録しながら、狙ったニューロンだけを光で刺激しました。まず、運動開始前に活動する「早期発火ニューロン」と、運動開始後に活動する「後期発火ニューロン」を同定し、音の合図がない状態で、それぞれ約20個を光刺激しました。さらに、刺激前後の多数のニューロンの活動を総合的に解析し、運動課題に取り組んでいるかどうかの条件を変えた比較も行いました。
その結果、早期発火ニューロン約20個を同時に光刺激すると、学習した運動が引き起こされました。このとき、刺激していない周囲のニューロンにも、学習済みパターンに似た活動が広がっていました。また、刺激の効果は、直前のM1全体の活動状態(脳の準備状態)に左右され、運動課題に取り組んでいない状態では、同じ刺激を与えても運動も学習済みパターンも生じませんでした。さらに、運動が起こらなかった試行でも、M1の内部では学習済みパターンが自律的に生成されていました。これは、パターンの生成が運動そのものからのフィードバックに依存しないことを示しています。
以上より、M1は他の脳領域からの指令をただ中継しているのではなく、学習によって獲得した運動パターンを、自ら内部で生み出せることが示されました。運動学習中に脳内で何が起こり、それがどのように運動として表れるのかという問いに対して、重要な手掛かりを与える研究です。