リサーチユニット総覧(Research Unit Magazine)

記憶と睡眠の深い関係
学習、記憶、睡眠の行動神経科学リサーチユニットSleep is important for memory

代表者 : Constantine PAVLIDES    中核研究者 : 一谷 幸男  小川 園子  
他のメンバー : 山田 一夫  

キーワード:学習、記憶、睡眠、機能的構築、海馬

 

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 パブリデス(Pavlides)教授は神経生理学者であり、現在彼のリサーチユニットは長期記憶の固定における睡眠の役割の解明に取り組んでいる。彼のリサーチユニットには、学内の行動神経科学者が集結し、行動測定、分子、解剖学的、神経生理学的アプローチなどの科学的アプローチを併用して先端的研究を進めている。現代の科学はそれほど単純ではなく、異なる専門知識を持つ複数の科学者の英知を結集することが複雑な問題を解く唯一の方法であり、高い目標に挑むにはこのような連携が必要だと彼は述べている。

 

 

 

 

睡眠とは何か?

 

 我々は1日約8時間、つまり人生の3分の1という相当な時間を睡眠に費やしている。パブリデス教授の大きな疑問は、なぜ我々が眠るのかという点である。単に休息が必要だからだろうか。答えはそれほど単純ではないようである。先行研究が示しているように、睡眠は学習と記憶において重要な役割を果たしている可能性がある。しかしながら、これに対する根拠の多くが相関的あるいは記述的なものであった。1980年代に世界で初めて、ロックフェラー大学の彼の研究室が、動物は記憶の固定のために睡眠を必要とするという確固たる科学的根拠を得たのである。これは非常に大きな研究成果であるとともに、自身の科学者としての最大の発見であると彼は語っている。彼の行った実験は非常にわかりやすいものであった。彼は、学習と記憶に重要な役割を果たす海馬の単一細胞の神経活動を記録した。これらの細胞の活動は、空間ナビゲーションに関わっている「場所細胞」として機能するものであった。ラットを特定の場所細胞の場所フィールド(その細胞の発火頻度が非常に高くなる環境中の特定の場所)に閉じ込め、他の場所細胞の場所フィールドに入れないようにした。その後にラットが眠ると、覚醒状態で活発であった細胞が再活性化していた。一方、覚醒時ラットが置かれていた位置が、場所フィールド外であった細胞の睡眠中の発火頻度は低かった。この結果は、睡眠中のニューロン活動が記憶の長期固定と関わっていることを示している。彼の研究室でのその後の研究により、神経の可塑性に関わっている様々な遺伝子(例、Zif268、Homer 1a)も、学習経験後、睡眠中に再活性化される(図1の右下)ことが示された。

図1:覚醒、睡眠中の脳内のZif268の遺伝子発現パターン。豊かな環境に置かれた動物の海馬ではREM睡眠中に再活性が見られる

 

 

睡眠中、脳内で何が起きているのか?

Fig. 2. A set of experimental devices

図2:神経生理学測定および行動観察用の装置

 

 筑波大学への赴任後に彼が開始した研究では、睡眠中の記憶の増強にタンパク質キナーゼA(PKA)の活性化が関わっている可能性を探究している。最初の実験では、文脈的恐怖条件付けをした後の4時間、眠らせる群(睡眠群)と眠らせない群(覚醒群)のラットに分けた(市販の大きなポリプロピレン製のごみ容器を利用して、照明、ビデオカメラ、脳内局所投与用の機器を備えた睡眠観察チェンバーを独自に作製した。図2右を参照)。24時間後、ラットの恐怖記憶をテストした。覚醒群のラットはあまりフリージングを示さず、前日に同じ装置内でショックを受けたことを覚えていないことが示された。さらに、睡眠群のラットの睡眠中にPKA阻害剤を海馬に注入すると恐怖記憶が妨害され、逆に覚醒群のラットにPKA活性剤を海馬内に注入すると恐怖記憶が保たれることがわかった。現在彼の研究室は、記憶固定に関わるニューロン活動およびPKA発現を調節しているメカニズムを研究している。具体的には、睡眠中に海馬EEGに観察される鋭波(sharp wave ripple)がニューロン活動およびPKA発現の双方を調節する脳内メカニズムであるかどうかに注目している。もしこれが事実であれば、非常にエキサイティングな発見となる。

 

 

パブリデス教授は筑波大学で何を教えているか?

パブリデス教授は筑波大学に赴任する以前に、アメリカ合衆国ニューヨーク市マンハッタンにあるロックフェラー大学で30年間教員を務めていた。筑波大学では、人間総合科学研究科・感性認知脳科学専攻において、「専門科学英語」「高度英語力養成プログラム」などいくつかの大学院科目を指導している。彼は、アメリカで基本的な手法となっていると同時に科学者にとって非常に重要なスキルである「クリティカル思考」を重視している。

取材:平成27年8月7日


Sleep is important for memory

Unit representative : Pavlides Constantine    Core researcher : ICHITANI Yukio  Ogawa Sonoko  
Unit members : YAMADA KAZUO  

Unit name: Integrative Behavioral Neuroscience of Neuroplasticity and Sleep

Key words: Learning、Memory、Sleep、Functional Organization、Hippocampus

 

08Pavlides01      Professor Pavlides is an electrophysiologist and his Research Unit is currently focusing on understanding the role of sleep in long-term memory consolidation. His research unit consists of a collaborative group of neuroscientists and uses a combination of scientific approaches, such as behavioral, molecular, anatomical and electrophysiological. He mentioned that this collaboration is necessary to attack his challenging aims because science now days is not so simple and combining knowledge from scientists with different expertise is the only way to solve complex problems.

 

What is sleep all about?

      We spend a significant amount of time sleeping; about 8 hours/day or one-third of our lives. His major question is why do we do that? Do we just need rest? The answer does not seem to be so simple. Previous research had suggested that sleep may play a role in learning and memory. Most of the evidence for this, however, was correlational or anecdotal. His laboratory at The Rockefeller University was the first to obtain in late 1980s hard scientific evidence that animals need sleep for memory consolidation. This was a ‘very big finding’, as he said, and that it was his best discovery as a scientist. His experiment was very simple. He recorded from single cells in the hippocampus, a part of the brain which plays a major role in learning and memory. The activity of these cells is involved in spatial navigation – i.e.,“place cells”. Animals were confined to the place field of a place cell (a specific part of an environment with very high firing rates) while they were kept away from the place field of other place cells. When the animals went to sleep, the cells that were active during the awake state became ‘re-activated’, in comparison to cells that were kept away from their place field (in which case they fired at low rates in sleep). This suggests that
neuronal activity during sleep is involved in longterm consolidation of memories. Subsequent research from his laboratory showed that various genes involved in plasticity (e.g., Zif268, Homer 1a) are also re-activated in sleep (Fig. 1, lower right panel) following a learning experience.

Fig. 1: Patterns of Zif268 gene expression in brain during awake and sleep behaviors. A reactivation of gene expression occurred in REM sleep in the hippocampus of animals exposed to an enriched environment.

 

 

What is happening in the brain during sleep?

Fig. 2: Experimental setup, including electrophysiological equipment and animal test chamber.

      Studies undertaken since arriving at the University of Tsukuba, are aimed at investigating whether the memory enhancements in sleep may involve the activation of protein kinase A (PKA). In an initial experiment, rats were context fear conditioned following which they were allowed to sleep or kept awake during the next 4 hours (animals were tested in a home-made sleep chamber, consisting of a rubber trash container fitted with lighting, video camera, brain infusion equipment, etc – see Fig. 2, right). They were then tested for fear memory 24 hours later. Animals that were sleep deprived froze less to the context, meaning that they did not remember as well the shocks. Infusing a PKA inhibitor into the hippocampus during sleep, also disrupted fear memory, whereas, infusing a PKA activator in animals kept awake restored the fear memory. Currently, his lab is investigating possible mechanisms that may modulate both neuronal activity and PKA expression for the consolidation of memory. Specifically, they are looking at whether sharp wave ripples, observed in hippocampal EEG during sleep, may be the brain mechanism that modulates both neuronal activity and PKA expression. If indeed this is the case, it will be a very exciting finding.

 

What does he teach at University of Tsukuba ?

Before Professor Pavlides came to the University of Tsukuba, he was a faculty member for 30 years at Rockefeller University, New York, USA. At Tsukuba, he teaches a couple of courses:
scientific conversation in English and scientific writing in English. He emphasizes “critical thinking” which is fundamental in USA and is a very important skill for scientists.

Interviewed on August 7, 2015