霊長類の視床核が抽象的なルールを選択し、前頭前野のダイナミクスを形成する
学術的背景
認知制御は、目標と状況に応じて行動を柔軟に調整する人間の能力であり、前頭前野（Prefrontal Cortex, PFC）がこのプロセスにおいて重要な役割を果たしています。過去の研究では、PFCが高次元のタスク変数表現を通じてルールを読み取り、行動を導くと考えられてきました。しかし、近年の証拠は、視床（Thalamus）がルール選択と情報伝達において重要な役割を果たす可能性を示しています。特に、視床とPFCの密接な接続により、視床はPFCからの入力から関連情報を選択し、それをPFCにフィードバックすることで、後のタスク処理に影響を与えることが可能です。
本研究は、視床がどのようにPFCの入力から抽象的なルールを選択し、PFCとの相互作用を通じてこれらのルールの表現を維持するかを探ることを目的としています。霊長類がルールタスクを実行する際の神経活動を研究することで、研究者は認知制御における視床の具体的な役割を明らかにし、前頭前野との動的な相互作用メカニズムを解明しようとしています。
論文の出所
この論文は、Jessica M. Phillips、Mohsen Afrasiabi、Niranjan A. Kambiらによって共同執筆され、研究チームはウィスコンシン大学マディソン校心理学部、ウィスコンシン国立霊長類研究センター、ストーニーブルック大学ルネサンス医学部神経外科など複数の機関に所属しています。論文は2025年6月18日にNeuron誌に掲載され、タイトルは「Primate Thalamic Nuclei Select Abstract Rules and Shape Prefrontal Dynamics」です。
研究の流れ
1. 実験設計とタスク
研究チームは、階層的ルールタスク（Hierarchical Rule Task, HRT）を設計し、サルに2つのルールを順次適用することを要求しました。抽象的なルールは、具体的なルールのクラスを指定し、これらの具体的なルールは特定の動作やターゲットにマッピングされます。例えば、抽象的なルールは「形状」または「方向」であり、具体的なルールは抽象的なルールの下での具体的な指示、例えば「左側のターゲットを選択」や「垂直のターゲットを選択」です。
2. 神経記録とデータ分析
研究者は、線形マイクロ電極アレイ（Linear Microelectrode Arrays, LMAs）を使用して、サルがHRTタスクを実行している際の4つの脳領域の神経活動を同時に記録しました。これには、前頭前野（PFC）、視床腹側前核（Ventroanterior Thalamus, VA）、視床内側背側核（Mediodorsal Thalamus, MD）、およびその他の関連領域が含まれます。拡散磁気共鳴画像法（Diffusion MRI）と確率的トラクトグラフィー（Probabilistic Tractography）を使用して、研究者はこれらの脳領域の記録位置を正確に特定しました。
3. データ分析方法
研究者は、以下の方法を用いて神経データを分析しました： - 選択性指数（Selectivity Index, SI）：ニューロンが抽象的なルールと具体的なルールに対してどの程度選択的であるかを定量化するために使用されます。 - 疑似集団デコード（Pseudopopulation Decoding）：神経集団の活動をシミュレートしてルール情報をデコードします。 - 適応的グランジャー因果分析（Adaptive Granger Causality, AGC）：視床とPFC間の因果関係を分析するために使用されます。
4. モデルの構築と検証
実験結果をさらに検証するために、研究者はPFC-基底核-視床モデルを構築し、抽象的なルールの選択と維持プロセスをシミュレートしました。モデルは、漏れ積分発火ニューロン（Leaky Integrate-and-Fire Neurons）を使用して神経活動をシミュレートし、視床損傷をシミュレートすることでPFCのルール表現への影響を検証しました。
主な結果
1. 視床が抽象的なルール選択において主導的な役割を果たす
研究によると、抽象的なルール情報は最初に視床腹側前核（VA）に現れ、その後前頭前野（PFC）に伝達されます。具体的には、VAニューロンは抽象的なルールの提示後100ミリ秒以内に選択性を示し、PFCニューロンの選択性は250ミリ秒後に現れました。これは、視床が抽象的なルールの選択において主導的な役割を果たしていることを示しています。
2. 視床とPFCの動的な相互作用
適応的グランジャー因果分析を通じて、研究者は視床からPFCへの因果的影響が抽象的なルールの提示後に著しく増加し、その後の遅延期間中も高いレベルを維持していることを発見しました。これは、視床がルール選択だけでなく、ルール維持においてもPFCと動的に相互作用していることを示しています。
3. 具体的なルールの表現
抽象的なルールとは異なり、具体的なルールの表現は最初にPFCに現れ、その後視床に現れます。これは、抽象的なルールが確立されると、PFCが後続の入力を具体的なルールと応答に変換できることを示しています。
4. 視床損傷がPFCのルール表現に与える影響
視床損傷をシミュレートすることで、研究者はVAまたはMDの損傷がPFCの抽象的なルール表現能力を著しく低下させることを発見しました。特に、VAの損傷は、PFCの遅延期間中のルール情報のデコード精度をランダムなレベルにまで低下させ、MDの損傷はPFCの遅延期間中のルール維持に影響を与えました。
結論と意義
本研究は、認知制御における視床の重要な役割、特に抽象的なルールの選択と維持における主導的な役割を明らかにしました。PFCとの動的な相互作用を通じて、視床は高次元の皮質表現から関連情報を選択し、それをPFCにフィードバックすることで、後のタスク処理に影響を与えることができます。この発見は、認知制御の神経メカニズムの理解を深めるだけでなく、関連する神経精神疾患の治療に新たな視点を提供します。
研究のハイライト
- 視床が抽象的なルール選択において主導的な役割を果たすことを初めて明らかに：研究によると、視床腹側前核（VA）が抽象的なルール選択において最も早い選択性を示し、PFCがルール選択の中心であるという従来の見解に挑戦しています。
- 視床とPFCの動的な相互作用メカニズム：適応的グランジャー因果分析を通じて、研究者は初めて視床とPFCのルール選択と維持における動的な相互作用を定量化しました。
- 多層的なモデル検証：研究者が構築したPFC-基底核-視床モデルは、実験結果を検証するだけでなく、視床損傷をシミュレートすることでPFCのルール表現への影響をさらに明らかにしました。
その他の価値ある情報
研究では、視床が行動結果の早期表現においても重要な役割を果たしていることが明らかになりました。特に、エラートライアルでは、視床の抽象的なルール表現が著しく低下し、認知制御における視床の重要性がさらに支持されました。
この研究は、多層的な実験とモデル検証を通じて、認知制御における視床の重要な役割を深く掘り下げ、脳がどのようにルールを選択し実行するかを理解するための新たな視点を提供しています。