DEP AR
TM

TRYMISHET OF BIOC
ENIN

OK

U C HI L

AB

University of Toyama, Faculties & Graduate Schools
Graduate School of Medicine & Pharmaceutical Sciences (Faculty of Medicine)

DEPARTMENT OF BIOCHEMISTRY

富山大学 学術研究部医学系 生化学講座の井ノ口馨教授らは、マウスで、睡眠中でも脳は活動を続けて情報を処理し推移的推論の演算を行っていることを見出すとともに、その神経細胞レベルの仕組みを初めて明らかにしました。

Prefrontal coding of learned and inferred knowledge during REM and NREM sleep

INOKUCHI Lab.

.

眠りの秘密 睡眠中の脳が推移的推論の演算を行う仕組みを発見
散在する情報レム睡眠中における神経活動の活性化により推論成績が向上

D>

C>

D

A>B

脳は睡眠中や休息中でも活動（アイドリング脳 *注１）して情報を処理しているらしいことは古くから知られていました。科学的な発見が夢の中に出てきた例は数多く知られていますし、取り組んでいた課題が睡眠の後や休息中に解決されることは多くの人が経験しています。しかし、睡眠中に脳の神経細胞がどのような活動をして情報を処理しているのかは不明なままでした。
本研究グループは、マウスを用いて、A>B, B>C, C>D, D>E の４つの前提ペアによる個別学習から B>D であることを推論する推移的推論の学習課題を開発しました。正確な推論には学習後のノンレム睡眠 *注２ 中およびレム睡眠*注３ 中の大脳前帯状皮質の神経活動が必要でしたが、覚醒時の神経活動は不必要でした。
レム睡眠中に光遺伝学 *注４を用いて前帯状皮質を人為的に活動させると推論成績が向上しました。超小型内視蛍光顕微鏡 *注５ を用いて神経細胞活動を計測し解析した結果、学習後のノンレム睡眠中に全体の階層性（A>B>C>D>E）を検出しており、それに引き続くレム睡眠中に直接には経験したことのない B と D の関係（B>D）を全体の階層性から検出していました。以上の結果から、睡眠中でも脳の神経細胞は意味のある活動を続けており、覚醒時の学習中とは異なる重要な情報処理を行っていることが明らかになりました。
情報処理におけるアイドリング脳の役割に関する今回の研究は、潜在意識下の脳機能の理解に繋がるものであり、また脳が持つ潜在的な能力をさらに発揮する方法の開発に繋がると期待されます。

ポイント
1 脳が睡眠中でも能動的に情報を処理していることは示唆されていたが、 どのような仕組みで処理しているのかは不明だった
睡眠中の大脳皮質の活動が、 以前に取得した記憶を基2 にして直接には学習していない推論知識を導き出すために必須であること、ノンレム睡眠が散在している記憶を整理し、 レム睡眠が整理された記憶から推論知識を計算していることが明らかになった

3 当研究で、睡眠中における脳の情報処理の仕組みが明らかになった
今後、覚醒時には実現が困難な情報処理を潜在意識下の脳がどのように行っているのかを理解することが可能に脳が持つ潜在的な能力をより良く引き出す方法の創出にも繋がると期待される

情報の整理

A>B

B>C

A>B

B>C

C>D

D>E

C>D

研究の背景と経緯

推論パターンの創出
A>B

B>C

学習

C>D

D>E

* 注２ ノンレム睡眠‥‥ノンレム睡眠は、 急速眼球運動の

B> D
D>E

ノンレム睡眠レム睡眠

学習パターンの共活動

推論パターンと学習パターンの共活動学習した情報を階層構造に構築する*注１ アイドリング脳‥‥睡眠中や休息中など、課題に集中していない時の脳の状態（あるいは脳活動）を指す。車がエンジンをかけたまま停車している状態との類似性から取ったネーミング。近年の研究から、脳は睡眠中や休息中でも活動を続けており、さまざまな情報を処理していることが示唆されてきたために、このような脳の状態を表す言葉として名付けられた。このときに脳は意識せずに活動しているため、アイドリング脳は潜在意識下で情報処理を行っていることになる。

推論行動

B>C

B> D

A>B>C>D>E起こらない睡眠で、 1-4 Hz のデルタ波と呼ばれる低周波の脳アイドリング脳が重要な情報処理を行っているらしいことは、 古くから示唆されてきました。
メンデレーエフが夢の中でその特性に応じて元素が規則正しく並んでいるのを見て、 元素の周期律表を完成させた話など、 科学的な発見が夢の中に出てきた例は多く知られています。 古代中国では、良いアイデアを思いつきやすい時として 「馬上・枕上 ・厠上」 という言葉があるとおり、 経験的に睡眠や休息の重要性が理解されていました。 私たちも日常生活の中で、 悩みごとや未解決の課題などの解決策が休息中や睡眠後に思い浮かぶなど、 アイドリング脳と情報処理には関係があるらしいことを経験しています。 潜在意識下の脳の働き （すなわちアイドリング脳） についての研究は、 実験心理学やフロイトから始まる精神分階層構造の構築

E階層構造から推論を導き出す波が大きな振幅で優先的に観察される。この間はぐっすりと眠っている状態。睡眠中はノンレム睡眠の後にレム睡眠が現れるサイクルを繰り返しており、ヒトの場合、睡眠の７－８割がノンレム睡眠である。
*注３ レム睡眠‥‥レム睡眠は、眠っている間に眼球がぴくぴくと素早く動く、急速眼球運動（Rapid Eye Movement,REM）が観察される。この間は筋肉が弛緩して体は休息しているが、起きているときに近い活発な脳波（シータ波、4-7Hzの脳波）が優先的に観察される。一般的に、夢の多くはレム睡眠中に見ている。

*注４ 光遺伝学‥‥特定の波長の光を当てると活性が変化する分子を遺伝子導入によって細胞に発現させることで、狙った細胞の機能を光で制御する方法。光照射により人為的に標的細胞の神経活動を誘導したり抑制したりすることができる。
*注５ 超小型内視蛍光顕微鏡‥‥超小型内視蛍光顕微鏡
は約２グラムの本体に、ＬＥＤ光源、ＣＭＯＳイメージセンサー、緑色の蛍光に対応するフィルターセットが統合されており、自由に行動しているマウスの脳に装着して緑色蛍光たんぱく質による蛍光シグナルを検出する。

析学等からのアプローチが主になされてきましたが、 現象の観察とその結果をどのように解釈するかという現象論レベルの理解にとどまっていました。
近年では神経科学的なアプローチによって、 体験直後の睡眠中の脳の神経活動を人為的に抑制すると記憶の定着が阻害されることから、 睡眠中の脳活動が記憶の定着に重要であることが明らかにされました。 ところが、 より高次の脳機能にも睡眠中の脳活動が重要な働きをしているのか、 もしそうなら、 睡眠中のどのような神経活動によってそうした高次の情報処理が為されているのかは未解決の大きな課題として残っていました。

研究の内容と成果

B ＞D

B ＞Doror

B ＜D

4つのペアをランダムな順番で学習させる。

1～14日目

テスト37525

推論グループ

睡眠はく奪グループ

推論テストでは新規のペアBとDを初めて提示する。
正答率50%がチャンスレベルである。睡眠はく奪グ
ルーのマウスは、テスト１,２,３それぞれの直後の睡眠が阻害された。

3.レム睡眠中の神経活動を人為的に活性化することで推論成績を向上させることができる
次に、睡眠中の前帯状皮質の神経活動を促進することで、推論成績を向上させることができるのかを調べました（図３A）。

A

不完全な学習

A ＞B
B ＞C
C ＞D
D ＞E

この実験では光遺伝学を用いて、学習後の睡眠または覚醒期間中に大脳前帯状皮質の神経活動を抑制し、その影響を調べました。

推論テスト

学習A ＞B
B ＞CC ＞D
D ＞E

光刺激による30分後

阻害

テスト1

B ＞D
B＜ D

14日目

1日後 テスト2
2日後 テスト3
3日後 テスト4

光刺激による阻害
ON/OFF

B ＞D

or4つのペアをランダムな未経験ペア順番で学習させる。

1～14日目

ON/OFF

記憶テスト

or

睡眠中

B＜ D

睡眠中

覚醒時

未経験ペア

覚醒時

oｒ

15～17日目oｒ

A ＞or＜ B
B ＞or＜ C
C＞or＜ D
D ＞or＜ E
学習済みペア18～19日目

テスト１,２,３それぞれの直後の覚醒時、ノンレム睡眠中、レム睡眠中の前帯状皮質の神経細胞の活動を光照射によって阻害した。

テスト1

促進ON/OFF

1日後 テスト2
2日後 テスト3
3日後 テスト4

B ＞Dor

or

B ＜D

10日目

学習終了の後B ＜D
睡眠中
11～12日目

未経験ペア
13～15日目

記憶テスト
A ＞or＜ B
B ＞or＜ CC＞or＜ D
D ＞or＜ E
学習済みペア16～17日目

テスト１,２,３それぞれの直後のノンレム睡眠中、レム睡眠中の前帯状皮質回路の活動を光照射によって活性化したB

推論テスト (B & D)

10日間の不完全な前提ペアの学習を遂行したマウスを用い、学習後のノンレム睡眠、あるいはレム睡眠中の前帯状皮質の神経回路を光遺伝学で人為的に活性化し75ました。光刺激なしの対照動物は正しく推50論することができなかったのに対して、レ25
ム睡眠中に光照射を受けてこの回路が活0性化されたマウスはテスト２，３，４のいず
光照射 ノンレム睡眠中 レム睡眠中
れでも80%以上の高い推論成績を示しまし
光照射
光照射なし
不完全な前提ペア学習ではマウスは推論できなかった た（図３B）。一方、ノンレム睡眠中の活性が（光照射なし）、レム睡眠中の光照射による活性化で 化では推論成績は促進されませんでした。
推論できるようになった
これらの結果は、ノンレム睡眠中とレム睡眠中の神経活動のいずれも推論計算において必須であるが、それぞれが異なる機能を果たしていることを示しています。
125
100

正答率（％）

次に、正しい推論に睡眠中の大脳皮質の神経活動が必要かどうかを調べました（図２A）。

光刺激によるB ＞D

未経験ペア
1～10日目

2.推論には学習直後の睡眠中の大脳皮質活動が必要である

推論テスト
30分後

有意差なし

有意差なし

* * *** テスト 1
テスト 2
テスト 3
テスト 4

B
入室

選択

★

D0

部屋の形、床、壁の模様 ・ 材質がそれぞれ異なる

1020

時間 ( 秒 )01020

そこで、それぞれの睡眠の機能の相違を明らかにするために、超小型内視蛍光顕微鏡を用いたカルシウムイメージング *注６ を行い前帯状皮質の神経細胞の活動を測定しました。B，Dペアの推論テスト２と３において、マウスがBを選択する決断をした時に出現する神経細胞の共活
動*注７パターン（推論パターン）を検出
学習C 推論パターン出現しました（図４A,B）。正答のBを選択す
学習後の覚醒 / 睡眠
推論テストる直前に出現する場合もあれば、ス
1.0
タート地点からBに向かう途中に現れる場合もありました。推論パターンは
0.8
B,Dペアのテスト時に初めて出現する0.6のではなく、前提ペアの学習終了時か0.4
ら徐々に出現し、特筆すべきはレム睡眠中に強く検出されました（図4C）。す0.2
なわち、推論の正答はレム睡眠中に0.0脳内で形成されることがわかりました。推論パターンを構成する神経細胞は、前提ペアに対応する神経細胞とは異なっていました。
推論パターンはレム睡眠中に形成されてくる

**

X10-5

時間 ( 秒 )6

テスト２,３で正答する時に、マウスがスタート地点からB,D選択地点（赤星印,A）に移動するまでの間に出現してくる神経活動パターン（推論パターン,B）* 注６ カルシウムイメージング‥‥神経細胞は活動するとカルシウムイオンが細胞内に流入することから、 カルシウ
ムイオン濃度の変化に応じて蛍光を発する人工的な蛍光タンパク質を神経細胞に導入し顕微鏡で観察することで、活動した細胞を検出することができる。

イミングで活動すること。動物が何らかの経験や学習をした時に共活動する神経細胞集団が、 その情報を符号化し記憶として脳に蓄えていると考えられている。今回の研究では、 それらに加えて神経細胞の共活動は新規情報を創り出すという新たな役割を持つことも明らかになった。

5.ノンレム睡眠とレム睡眠中の神経細胞の共活動が重要である
推論パターンが脳内でどのように形成されてくるのかを知るために、４つの前提ペアそれぞれの学習時に活動した神経細胞グループの間における共活動を調べました（図5A）。ノンレム睡眠中に高い共活動を示したのに対して、覚醒時やレム睡眠中では共活動は低いままでした。異なる記憶に対応する神経細胞間の共活動は、記憶同士を照合し関連づけることが知られています。したがって、ノンレム睡眠は各前提ペア間の関係を照合して全体の階層性（A>B>C>D>E）を形成していると思われます。推論パターンを構成する神経細推論パターン
B ＞D

A ＞B
B ＞C
C ＞D
D ＞E

** ***

X10-6

442*

32
10***

* 注７ 神経細胞の共活動‥‥複数の神経細胞が同じタ

B 推論ペアと学習済み4ペア間の共活動

共活動の強さノンレム睡眠やレム睡眠中の神経活動を抑制されたマウスでは、正しく推論することができませんでした（図2B）。非常に興味深いことに、覚醒時の前帯状皮質の神経活動を抑制しても、正しく推論することができました。一方で、A>B, B>Cなど前提ペアに対する記憶は、神経活動抑制の影響を受けませんでした（図2C）。すなわち、レム睡眠、ノンレム睡眠それぞれの脳活動が、過去の経験に基づいて、実際には経験していないことを推論する能力に必要であるが、覚醒時の脳活動は必要ないことが明らかになりました。

14日間にわたる学習の後の推論テストではマウスが経験したことのない新しいペアBとDを用い、マウスがどちらを選択するのかを測定しました（図１C）。最後の学習の30分後にテスト１、その後1日おきにテスト２，３，４を行いました。マウスはテスト１では50%の正答率（チャンスレベル）しか示さなかったのに対して、それ以降のテストでは80%以上の高い正答率（部屋Bを選択）を示し正しく推論できました。対照的に、テスト１の直後に睡眠をはく奪されたマウスではいずれのテストでもチャンスレベルの正答しか示しませんでした。

A

レム睡眠中
光照射

テスト4

未経験ペア

15～17日目

４つの前提ペア（A>B, B>C, C>D, D>E）の学習後、B,Dペアによる推論テストを行った。

ノンレム睡眠中
光照射

500

B ＜D

未経験ペア

14日目

テスト1
テスト2

覚醒

いずれの記憶も光照射による神経活動抑制の影響を受けなかった。縦軸のスケールが（B）とは異なることに注意。

A ＞B
B ＞C
C ＞D
D ＞E

0

学習済みの４つの前提ペアに対応する神経細胞の間での共活動の強さ。ノンレム睡眠中に強く出現してくる。

レ
睡 ム
眠

テスト2
テスト3
3日後 テスト4
1日後
2日後

有意差なし

A ＞B
B ＞C
C ＞D
D ＞E覚
醒ノン
レ
睡 ム
眠

学習終了の後

テスト1

**
**

E

学習済み4ペア間の共活動

A

学
習

推論テスト
30分後

*

覚醒 ノンレム睡眠中 レム睡眠中
光照射
光照射

部屋 B に入室した瞬間

スタート

胞は、レム睡眠中に各前提ペアの細胞と高い共活動を示しており（図5B）、レム睡眠中に脳が全体の階層性からBとDの関係を抽出することで推論知識を計算していることを示しています。

レ
睡 ム
眠

学 習

A ＞B
B ＞C
C ＞D
D ＞E

*

100

正答率（％）

B

推論テスト (B & D)

C125

隠れたルール

A＞B＞C＞D＞E

スタート

2 回目

C

7050

推論には覚醒時の神経活動は不必要、ノンレム睡眠中やレム睡眠中の神経活動は必須であった。

部屋 B に入室した瞬間

1 回目

A

80

600

B 神経細胞活動

スタート

覚
醒
ノンレ
睡 ム
眠

実験の流れ

90

A

共活動の強さ部屋の形、床、壁の模様・材質がそれぞれ異なる

25

A&B
B&C
C&D
D&E

学
習D

有意差なし

推論パターンを構成する神経細胞は、前提ペアの神経細胞とレム睡眠中に強い共活動を示す

6.直接学習していない推論知識を睡眠中に導き出すメカニズム
私たちの研究で明らかにされた睡眠中の推論知識形成の仕組みを図６にまとめました。前提ペアに関する情報はお互いが独立して散在する情報として蓄えられます。その後のノンレム睡眠中に各前提ペアに対応する神経細胞が共活動し、前提ペアの情報を整理して全体の階層性を構築します。引き続くレム睡眠中には、ノンレム睡眠中に構築された全体の階層性からB>Dの推論知識を導き出します。レム睡眠中に観察された推論パターンと各前提ペア細胞の間の高い共活動は、前提ペア細胞が新しい神経細胞群をリクルートして推論パターンを創出している過程を表していると想定されます。

散在する情報D

B

有意差なし

C>

CE50

有意差なし

細胞番号

A

75

110100

神経細胞活動の強さ

形状などが異なるA、B、C、D、Eの5つの部屋を用意しました。AはBより良い、BはCより良い、CはDより良い、DはEより良いという階層があります。各学習セッションでは、推移的推論の前提として2つの部屋だけが提示され、他の部屋は閉じられています。例えば、AとBの前提ペアの場合、マウスがたまたま部屋Aを選択し10秒以上留まると、報酬として砂糖水を受け取ります。この推移的推論課
題には隠れたルールとして、A>B>C>D>Eという全体の階層性があります。

スタート

テスト1
テスト2
テスト3
テスト4

ノンレ 慣化ム睡レ 眠ム 1
睡眠1学再 習学習テス
ノン 覚 ト1
レ 醒時ム
睡レ 眠
ム 2睡眠
テ 2ス
トテ 2ス
ト3

用いた5つの部屋

正答率（％）

本研究グループは、マウスを用いて推移的推論の学習課題を開発しました（図１A,B）

A

4.推論の正答はレム睡眠中に脳内で形成される

C 記憶テスト(学習済みペア)

有意差なし 有意差なし

** **

100

正答率（％）

125

A>B

B 推論テスト(B & D)

1.推移的推論には睡眠が必要である

D>

E

B>C

学習

情報の整理

A>B

B>C

階層構造の構築
A>B

B>C

推論パターンの創出
A>B

C>D

D>E

C>D

D>E

C>D

B> D
D>E

ノンレム睡眠レム睡眠

学習パターンの共活動

推論パターンと学習パターンの共活動学習した情報を階層構造に構築する

推論行動

B>C

B> D

A>B>C>D>E

階層構造から推論を導き出す

今 後 の 展 開

本研究により睡眠中に脳が推論知識を形成する仕組みが明らかにされたことで、今後、潜在意識下でアイドリング脳がどのような神経活動を行って、覚醒時には実現が困難な情報処理を行っているのかという疑問に実験的にアプローチすることが可能となりました。脳が覚醒時に意識して行っている情報処理は氷山の一角とも思われ、潜在意識下でアイドリング脳がどのような情報をどのように処理しているのかの解明は、人格の形成や創造性がいかにして形成され発露するのかという長年人類が取り組んできた哲学的な問いに自然科学から回答できる可能性を拓いていくと思われます。また、睡眠中の脳活動や睡眠法への介入により、脳が本来持つ潜在的な能力をより引き出して、創造性や課題解決力などを向上させる方法が見いだされることも期待されます。

本研究成果は、2024年6月24日(月)(日本時間)に英国科学誌 「Nature Communications」 のオンライン速報版に掲載されました。 掲載誌： Nature Communications, 15: 4566. DOI : 10.1038/S41467-024-48816-X
論文情報 : タイトル“Prefrontal coding of learned and inferred knowledge during REM and NREM sleep”
著者 Kareem Abdou, Masanori Nomoto, Mohamed H. Aly, Ahmed Z. Ibrahim, Kiriko Choko, Reiko Okubo-Suzuki, Shin-ichi Muramatsu, and Kaoru Inokuchi.