[論文賞] 末岡 陽太朗/Johns Hopkins University

Yotaro Sueoka, B.S.

[分野:神経科学・行動科学・情報科学・統計学]

論文リンク

https://www.nature.com/articles/s41593-025-02038-6

論文タイトル

Allothetic and idiothetic spatial cues control the multiplexed theta phase coding of place cells

掲載雑誌名

Nature Neuroscience

論文内容

私たちは日々、新しい情報を脳に書き込むencodingと、既存の記憶から次に起こることを予測するpredictionを同時に行っている。これら二つのプロセスを担う海馬がどのように両者を同時に且つ干渉させずに処理するかは不明であった。20年以上前にHasselmo教授らが提唱したSPEAR理論は、海馬内に存在する8 Hzの脳波（シータ波）の山と谷でそれぞれencodingとpredictionが行われていると主張した。二つの計算処理が125ミリ秒という高速で交互に行われることで互いに干渉せずにかつ「ほぼ」同時に行えるという主張だが、直接の実験証拠は存在していなかった。

本研究ではこの理論の検証をすべく、VR空間を探索するラットの海馬の活動を電気生理学を用いて計測した。VR内では動物の動きに合わせて周囲の風景を自由に変えることができる。この特性を利用して実験中の風景と慣れ親しんだ風景との間にズレを導入した。このズレが大きいほど、海馬でencodeすべき新しい情報が多くなる。実際、ズレを大きくするほど海馬の神経活動の変化量も増えていき、しかもその変化はまさにシータ波の山の位相で特異的に生じた。このデータはencodingがシータ波の位相に依存して125ミリ秒周期で行われることを示し、SPEAR理論の直接的証拠となった。類似の脳波は他の脳領域にも見られるため、脳全体で位相を利用して複数の計算を効率的に並行処理している可能性も示唆している。

受賞者のコメント

尊敬する諸先輩方が受賞しているこのような栄誉ある賞をいただけてうれしい限りです。この受賞を励みにより一層研究に邁進していく所存です。

審査員コメント

井上 昌俊先生

本論文は、Dome仮想現実システムを用いた巧妙な実験デザインにより、シータ振動を時間的足場とした位相コーディングが、単一の計算様式ではなく、位相歳差運動（phase precession）と位相行進運動（phase procession）という二つの異なるダイナミクスを用いて、異なる計算をサブ秒スケールで切り替える多重化された回路論理であることを、行動操作と理論モデルの統合によって明確に示した点で、極めて重要な貢献です。

特に、外界手がかり（allothetic）と自己運動情報（idiothetic）の関係を連続的に学習させる条件下で、将来位置の予測に対応する位相歳差運動は保持される一方、新しい関係性の符号化や回顧的評価に関与すると考えられる位相行進運動が選択的に減弱することを示した点は、シータ位相コーディングの機能的分業を実験的に裏付けるものです。この結果は、位相コーディングが「予測」と「学習・評価」という異なる計算要求に応じて柔軟に再構成されることを示唆しています。

今後の重要な研究方向として、本論文が関連付けたこれらの神経科学的現象が、空間認知に特化したものではなく、空間以外の認知機能にも一般化可能な回路原理であるかを検証することが挙げられます。実際、シータ位相コーディングやシータ–ガンマ結合は、意思決定、系列学習、時間的順序記憶といった非空間的課題や、海馬以外の脳領域においても報告されています。本研究で示された位相歳差運動と位相行進運動の異なる役割分担が、将来予測的な表現（prospective representation）と、回顧的評価あるいは新規情報の符号化との切り替えを担う一般的な計算ロジックとして機能するかどうかは、今後の検証により明らかにされるべき重要な課題です。

このような展開は、シータ・ガンマ結合と位相コーディングを、空間表現の枠を超えた普遍的な認知計算の基盤として位置づけることにつながり、本論文の理論的インパクトをさらに拡張するものと期待されます。

長谷川 祐人先生

本論文は、ラット海馬におけるplace細胞のθ位相コードが、外的ランドマーク（allothetic）と自己運動（idiothetic）という異なる空間情報によってどのように制御されるかを、仮想現実環境下の電気生理学と計算モデルを用いて明らかにした研究です。place 細胞のθ位相コードを「未来予測」と「現在-直近の情報処理」という異なる計算過程の時間的分業として捉え直した点は、海馬における空間表象および認知地図形成の理解を一段深める重要な貢献であると思います。本研究は、θリズムを単なる時間的足場ではなく、空間認知に関わる複数の計算過程を位相依存的に切り替える動的なコード機構として捉え直す枠組みを提示しており、今後の海馬機能および記憶・学習研究に重要な示唆を与えることが期待されます。

加藤 明彦先生

Dr. Sueoka and colleagues explored how hippocampus encodes spatial information using an innovative experimental paradigm. Spatial perception can be divided into two components: external cues (e.g. visual landmarks) and internal cues (e.g. self-motion), termed allothetic and idiothetic cues, respectively. The authors investigated how place cell dynamics are influenced when these cues conflict. In their experiment, rats navigated a fixed radius circlular track while visual cues were projected to a hemispheric screen above the arena. To decouple allothetic and idiothetic inputs, the researchers mismatched the angular velocities of the animal and visual cues by manipulating the projector. They recorded place cell ensembles and theta wave component (6-12 Hz) at hippocampal CA1 area in conscious rats.

The findings revealed that the place cell firing was strongly governed by allothetic cues when visual cues are prominent, but shifted to idiothetic control when visual cues were absent. Place cell bursting is known to align with theta rhythms, exhibiting phase precession or phase procession, slightly higher or lower frequencies relative to theta. Detailed analysis showed variability in phase precession among cells, and intriguingly, both phase precession and procession could occur in the same neuron across different laps. Phase procession zdiminished when allothetic and idiothetic cues were mismatched. Furthermore, the authors replicated this selective reduction of phase procession under the mismatched conditions using a mathematical model, continuous attractor network model.

This study demonstrates that place cells exhibit multiplexed modes of theta-phase coding, and these modes depend on the consistency between external and internal cues. These findings may invite an interesting analogy: how our perception of movement changes when traveling with or without a view from the vehicle window we take.

山下 哲先生

本論文は、海馬神経科学における基本的な問題に対して、精密な実験デザインと計算モデルを組み合わせた優れた研究です。仮想現実技術を活用した空間手がかりの系統的操作、詳細な電気生理学的解析、計算神経科学的な検証という多層的なアプローチが、Nature Neuroscience誌での掲載に相応しい高い水準を示しています。シータ位相コーディングの機能的多重化という新しい概念は、神経回路の計算原理に関する理解を大きく前進させるものです。神経科学の専門家のみならず、広い科学分野の研究者に価値をもたらす優れた研究です。

１）研究者を目指したきっかけ

小さいころから動物が好きで、動物園に通い詰めていました。中学で分子生物学に出会ったことで、動物の行動をミクロな視点で解明していくことに惹かれるようになりました。

２）現在の専門分野に進んだ理由

小さいころから動物が好きで、動物園に通い詰めていました。中学で分子生物学に出会ったことで、動物の行動をミクロな視点で解明していくことに惹かれるようになりました。

３）この研究の将来性

記憶のメカニズムを解明することで将来的にアルツハイマー病の治療などの臨床応用につながると考えます。

留学や研究生活にまつわるエピソード

アメリカ留学の醍醐味の一つは日本だとなかなかチケットの取れないアーティストのライブに行きやすいことだと思います（笑）RADWIMPSやONE OK ROCKのコンサートを２列目から見れたときは留学してよかったなと思いました。