記憶はどのように物理的に作られるのか

1953年、長年にわたって H.M. という名でしか知られていなかった一人の男性が、彼の人生を破壊していた発作を止めるための手術を受けました。外科医たちは、海馬と呼ばれるタツノオトシゴのような形をした小さな構造の大部分を含む、脳の両側の組織の一部を切除しました。発作は和らぎました。しかし、奇妙で痛ましいことが起こりました。H.M. はもはや新しい持続的な記憶を形成できなくなったのです。彼は会話をすることはできても、数分後にはそれを忘れてしまいました。同じ雑誌を何度も読み返し、そのたびに新鮮なものとして感じました。子供時代の記憶は無傷のまま残り、知能も変わらなかったのに、現在は水のように指の間からこぼれ落ちていきました。

今では彼の名がヘンリー・モレゾンであると知られていますが、彼は残りの人生を神経科学の歴史上最も研究された人物の一人として過ごしました。彼の悲劇は深遠な事実を明らかにしました。記憶とは、心のどこかに漂う漠然とした雲のようなものではありません。それは細胞と化学から作られ、特定の組織に固定された物理的なものなのです。あなたが学校の初日や祖母の台所の匂いを思い出すとき、あなたは脳が文字通り構築した物理的なパターンを再活性化しているのです。その構築がどのように起こるのかを理解することは、現代科学における偉大な探偵物語の一つです。

記憶は細胞と細胞のつながりの中に宿る

あなたの脳には、電気的および化学的な信号を運ぶ特殊な細胞であるニューロンが、およそ860億個含まれています。しかし、記憶が宿っているのはニューロンそのものではありません。記憶はそれらの間のつながり、すなわちシナプスと呼ばれるものの中に宿っており、一つのニューロンはこうしたつながりを数千も形成することができます。人間の脳内のシナプスの総数は数百兆にのぼり、それがどれほど驚異的な記憶容量を伴うものであるかを感じさせてくれます。

シナプスとは、あるニューロンが次のニューロンへ信号を渡す微小な隙間です。信号が到着すると、送り手のニューロンは神経伝達物質と呼ばれる化学的なメッセンジャーをその隙間に放出し、受け手のニューロンにある受容体がそれを捕らえます。きわめて重要なことに、このつながりは固定されていません。それは、どれほど頻繁に、どれほど強く使われるかに応じて、強くなったり弱くなったりします。この調整可能な性質はシナプス可塑性と呼ばれ、脳がどのように学び、記憶するかの礎となっています。

この基本原理は、誰もそれが起こっている様子を見ることができるずっと前から予見されていました。1949年、心理学者のドナルド・ヘッブは、あるニューロンが繰り返し別のニューロンの発火を助けるとき、両者の間のつながりが強化されると提唱しました。この考えはしばしば、記憶に残る一言にまとめられます。すなわち、ともに発火するニューロンはともに結びつく、というものです。ヘッブは生前にそのメカニズムを証明することはできませんでしたが、答えの形を正しく言い当てていました。結局のところ、記憶とは主に、どのシナプスが強くなるかという問題なのです。

長期増強：強化のきらめき

ヘッブの考えに対する最初の直接的な証拠は、1970年代初頭、ウサギの海馬を研究していた研究者たちが注目すべきことを発見したときにもたらされました。彼らが神経経路に短く急速な電気刺激のバーストを与えると、つながりが測定可能なほど強くなり、しかもその強さが何時間も、何日も、さらには何週間も続いたのです。彼らはこの現象を長期増強と名付け、通常は LTP と略します。これは記憶がどのように符号化されるかについての、今なお最有力の細胞モデルであり続けています。

LTP が機能するのは、巧妙な分子機構のおかげです。ニューロン上のある特定の受容体、NMDA 受容体と呼ばれるものは、一種の同時性検出器として働きます。それは二つのことが同時に起こったときにのみ完全に開きます。すなわち、送り手のニューロンが活動して神経伝達物質グルタミン酸を放出していること、そして受け手のニューロンがすでにある程度興奮していることです。両方の条件が満たされると、受容体はカルシウムイオンを細胞内に流れ込ませ、そのカルシウムの急増が、将来そのシナプスをより敏感にする一連の変化を引き起こします。

その結果は、より強い握手です。 LTP の後、受け手のニューロンは入ってくる信号を捕らえるためにより多くの受容体を生やすことがあり、シナプスそのものが物理的により大きく成長することもあり、場合によってはまったく新しいシナプス結合が形成されることもあります。それら二つのニューロンの間の会話は、より大きく、より容易になります。それらを活性化させた経験を繰り返せば、その経路は以前よりもたやすく点灯します。これが、物理的に言えば、何かを学ぶということの意味です。長期抑圧と呼ばれる、鏡像のようなプロセスも存在し、これは使われないつながりを弱めます。そして強化と弱化の間のバランスによって、脳は有用なパターンを彫り出しつつノイズを刈り込むことができるのです。

海馬：記憶の建築の名匠

H.M. の物語は海馬を真っ直ぐに指し示し、何十年もの研究がその中心的な役割を裏付けてきました。海馬はあなたの記憶の永久的な倉庫として機能するわけではありません。むしろ、それは建設現場や高速索引システムのように働きます。あなたが何か新しいことを経験すると、海馬は散らばった断片(光景、音、感情、文脈)を一つのまとまった出来事へと結びつけ、そのパターンを素早く捉えます。

これは、H.M. の障害の特異な形を説明してくれます。海馬がなければ、彼は出来事についての新しい長期記憶を刻み込むことができませんでした。この能力を科学者たちはエピソード記憶と呼びます。それでも、彼のより古い記憶は生き残りました。なぜなら、それらはすでに処理され、別の場所、すなわち大脳皮質の広大なネットワークの中に保存されていたからです。海馬は何年も前にその仕事を終えており、それらを保持するためにはもはや必要とされていなかったのです。

海馬はまた、脳の稀な才能の一つである神経新生、すなわち成人期における新しいニューロンの誕生の舞台でもあります。人間の脳の大部分では、あなたは持っているニューロンを保ち続けます。しかし研究は、海馬が生涯を通じて新鮮なニューロンを生み出し続けることを示唆しており、多くの科学者は、これらの新しい細胞が脳に似たような経験を互いに区別する助けをすると考えています。成人のヒトの神経新生の正確な程度はいまだ議論されており、研究によって結果も異なります。ですから、この点については、完全に決着がついたものとして扱うのではなく、適切な慎重さをもって受け止める価値があります。

脆いものから永続的なものへ：固定化という長い作業

新しい記憶は脆いものです。何かを学んでから最初の数時間、記憶は傷つきやすい状態で存在し、容易に妨害されたり失われたりします。時間が経つにつれて、それは固定化を経ます。これは、揺らいでいた新しい痕跡が安定して持続的なものになっていく、ゆるやかなプロセスです。固定化は二つのレベルで起こります。すなわち、何時間もかけて個々のシナプスの内部で、そして何週間も、何ヶ月も、あるいは何年もかけて脳の全システムにわたって、です。

シナプスのレベルでは、LTP によって引き起こされた強化が固定されなければなりません。初期の段階は、すでに細胞内に存在するタンパク質を調整することに依存していますが、記憶を本当に長続きさせるためには、ニューロンは遺伝子をオンにし、まったく新しいタンパク質を製造しなければなりません。これが、実験動物においてタンパク質合成を阻害すると、最初の学習が正常に見えても記憶が定着しなくなることがある理由です。シナプスにおける構造的な変化、すなわち新しい受容体や物理的な成長は、持続するためにこの新鮮な分子の構築を必要とします。

システムのレベルでは、海馬はゆるやかに記憶を長期的な保管のために皮質へと引き渡します。有力な見方は、海馬が記憶を繰り返し再活性化し、その再生を通じて、皮質がそのパターンを自力で保持できるように訓練するというものです。ひとたび皮質がそれを十分よく学習すると、記憶はもはや海馬に依存しなくなります。これこそが、H.M. の遠い過去はアクセス可能なままであったのに、彼の現在はそうでなかった理由なのです。

なぜ睡眠は静かにあなたの一日を作り直すのか

固定化が脳の夜間の建設作業班だとすれば、その重労働の多くがなされるのは睡眠中です。睡眠中、とりわけ特定の段階において、海馬はその日の経験を再生し、出来事が最初に起こったときに発火したのと同じ神経パターンを、しばしば圧縮され速められた形で再活性化するように見えます。この再生は、重要なつながりを強化し、記憶を長期的な皮質の保管へと移す助けになると考えられています。

その実用的な帰結は十分に確立されています。 睡眠はあなたが記憶するのを助けます。動物とヒトの両方における研究は、学習後の睡眠が、目覚めたままでいる場合と比べて後の想起を改善すること、そして睡眠を妨げると固定化が阻害されることを一貫して示しています。これは、試験前の一晩中の必死の徹夜よりも、まる一晩の休息のほうが勝る一つの理由です。徹夜は脆い短期の状態に情報を詰め込むかもしれませんが、その情報を定着させるために脳が用いる、まさにその窓を脳から奪ってしまうのです。

記憶の機構には、感情的な側面もあります。恐怖や興奮で満たされた経験は、より鮮明に記憶される傾向があり、これは偶然ではありません。感情を処理する扁桃体と呼ばれる近くの構造は、ある経験を重要なものとして印付け、固定化のプロセスを増幅することができます。これが、あなたが恐ろしい瞬間の細部を痛いほど鮮明に思い出すことができる一方で、ありふれた火曜日が互いに曖昧に溶け合ってしまう理由です。強烈な出来事の最中に放出されるストレスホルモンは記憶の形成を研ぎ澄ますことができますが、極端なまたは慢性的なストレスはそれを損なうこともあります。これもまた、このシステムが精妙にバランスがとられていることを思い出させてくれます。

思い出すことは再生ではなく、作り直すこと

ここ数十年で最も驚くべき発見の一つは、記憶が単に再生ボタンを押せばよい録音のようなものではない、ということです。記憶を取り出すたびに、あなたはその物理的なパターンを再活性化し、そうすることで一瞬それを再び変化しやすいものにします。記憶はその後、再固定化と呼ばれるプロセスを通じて再び安定化されなければならず、その窓の間に、それは変えられたり、強化されたり、あるいは微妙に歪められたりすることもあります。

これが、記憶が年月とともに移ろっていく理由であり、二人の人が同じ出来事をまったく誠実でありながら異なって思い出せる理由です。あらゆる回想は部分的には再構築であり、保存された断片に、あなたの現在の気分、期待、信念が供給するものを加えて縫い合わせられています。この現象には現実の帰結があります。それは、長らく信頼できるものとして扱われてきた目撃証言がなぜ自信をもって誤りうるのか、そして物語を繰り返し語り直す行為がなぜ静かにそれを作り変えてしまうのかを説明する助けになります。記憶は記録保管庫というよりも、あなたが使うたびに自らを更新する、生きて働く組織なのです。

重要なポイント

記憶とは機械の中の幽霊ではなく、生物学から作られた物理的な構造です。それはニューロンの間の強化されたつながりの中に宿り、シナプス可塑性によって彫り出され、細胞レベルでは長期増強によって動かされています。長期増強の中で、忙しいシナプスはより大きく、より反応しやすく成長します。海馬は脳の高速の建築者であり索引者として働き、新しい経験を互いに結びつけ、固定化というゆるやかな作業を通じて、それらを永久的な保管のために皮質へと引き渡します。この引き渡しは睡眠によって計り知れないほど助けられます。ヘンリー・モレゾンの喪失は、建築者がいなくなったときに何が起こるかを示すことで、この構造を明らかにしました。そしておそらく最も謙虚にさせられることに、あなたが思い出すたびに、あなたは作り直しているのです。それはつまり、あなたの記憶が固定された録音ではなく、生きたパターンであり、最初にそれらを作り出したのと同じ驚くべき組織によって、絶えず再構築され続けているということなのです。