香りの記憶形成・固定化メカニズムの解明
同志社大学研究開発推進機構

眞部寛之

It is known that the odor memories are associated with not only what the odor is but also the episode that experienced
when we smelled the odor. However, the neural mechanism of association between an odor and the episode is still unclear.
The piriform cortex, a major part of the olfactory cortex, is known as an association cortex integrating incoming olfactory
sensory information from the olfactory bulb with top-down input from higher regions such as the orbitofrontal cortex. To
reveal the neural mechanisms of association memory between an odor and the episode when the odor was experienced, werecorded the neural activities in the anterior piriform cortex (aPC) of freely moving rats performing an odor-guided go/no-gotask and its reversal learning task. To reveal memory consolidation mechanisms of the aPC, we recorded the neural activities
during the pre- and post-task sleep.
We found that many aPC neurons fired during the odor presentation period and the specific behavioral scene during theodor-induced behavioral go/no-go events, such as the moving to the reward port scene, the consumption of rewards scene,and so on. Such the odor-scene responsive aPC neurons were tuned to a smaller scale scene within each behavioral scene.
After rats learned the reversal task, many aPC neurons respond to the reversed odor-scene combinations. We also found thatthe odor-scene responsive neurons reactivated associated with the olfactory cortex sharp-waves.
These results suggest that the odor-scene responsive aPC neurons have an important role in the memory formation andthe consolidation between the odor inputs and the top-down scene signals related to the odor-guided learned behaviors.

1. 緒質が持つ機能は未だほとんど解明されていない。本研究の言第一の目的は、匂いとエピソードを繋ぐ連合記憶の神経回

匂いの記憶は、単にその匂いがどのような匂いであるか路機構を明らかにすることである。我々は嗅皮質の中でも、だけでなく、そのときに経験したエピソードも含めて想起

嗅球からの嗅覚情報と、高次領域からのトップダウン入力されることは我々の日常生活においてもよく経験することを受ける梨状皮質に着目した。匂いを手掛かりとした行動である。この匂いと連合した経験によって、例えば、特定学習課題遂行中のラット梨状皮質からリアルタイムに神経の香水に対する愛着などがおこると考えられる。匂いに活動をモニターすることで、匂いとエピソードの連合学習よって過去の経験が想起される心理現象は、「プルーストにおける梨状皮質の役割を検討した。

1）

効果」と呼ばれている 。この名前は、フランスの小説家、記憶の固定化研究は海馬で進んでおり、海馬においては、

マルセル・プルーストの著書『失われた時を求めて』の中に、経験時の活動パターンがその後の睡眠時（オフライン時）に、主人公が紅茶に浸したマドレーヌを口にした時、幼少期の鋭波と呼ばれる特徴的な脳波に伴って繰り返し再現される体験が鮮明に思い出されるという有名な一節がもとになっ（再活性化される）ことで記憶が固定化されると考えられて2）ている 。小説では、主人公がマドレーヌの芳醇な香りにいる 4）。

よって過去の経験（エピソード）を思い出すが、このたった我々は近年、徐波睡眠時のラット嗅皮質において、海馬一度の経験でも起こりうる、匂いとエピソードとの連合学とよく似た特徴を持つ鋭波が観察されることを発見し、嗅習と想起システムの脳内機構は全く不明である。

皮質鋭波と名付けた 5）。嗅皮質鋭波の出現と同時に、特定1991 年に嗅覚受容体が発見され 3）、嗅覚系の研究は急の嗅皮質ニューロン群が発火活動を起こすことから、海馬速に発展し、嗅覚受容体を発現する嗅上皮や 1 次中枢であと同様に、嗅皮質鋭波上で睡眠直前に経験した神経活動パる嗅球での情報処理の基本ロジックは明らかとなってきた。

ターンが再活性化されている可能性がある。本研究の第二

しかし、嗅球からの情報が統合される嗅覚 2 次中枢の嗅皮の目的は、徐波睡眠時の嗅皮質鋭波上で再現される情報とその様式を明らかにすることで、匂いとエピソードの長期固定化機構を明らかにすることである。匂いを手掛かりとNeural mechanisms of odor memory
formation and consolidation
Hiroyuki Manabe

した行動学習課題遂行後の睡眠中、梨状皮質で匂いとエピソードの記憶に関わるニューロンが、再活性化するかどうかを検討した。

Organization for Research Initiativesand Development, Doshisha University− 200 −

香りの記憶形成・固定化メカニズムの解明

2. 方ラット頭蓋骨に穴をあけ、テトロードを真っ直ぐに下ろ法して前梨状皮質に到達させた。マイクロドライブは接着剤

2 . 1. 匂いを手掛かりとした go/no‒go 行動学習課題と逆転学習、課題前後の睡眠を用いて頭蓋骨に固定した。グランドとリファレンスのために、小脳上の骨にビス電極を埋め込んだ。

本実験のすべては、同志社大学動物実験等の実施に関す1 週間以上回復期間を設け、その後、匂いを手掛かりる規定に従い、同志社大学動物実験委員会の審査を受け、とした go/no–go 行動学習課題と逆転学習を遂行中、また学長の承認を得た上で実施したものである。

その前後の睡眠中、前梨状皮質のニューロン活動を記録

実験には、雄の Long‒Evans Rat（清水実験材料）成獣した。記録は、多チャンネル記録システム（Neuralynx まを用いた。匂いが出る匂いポートと、水報酬が出る水ポー

たは OpenEphys）を用いて行った。ユニットレコーディン

トが壁に設置されているオペラントボックス（自作）にラッグ用のサンプリングレートは 32 kHz（Neuralynx）またはトを入れた。ラットが匂いポートに鼻を入れると、0 . 5 秒

30 kHz（OpenEphys）であり、取得したシグナルはバン間匂いを提示し、匂いの内容に応じて 2 種類の行動を学習ドパスフィルター（600 ‒ 6000 Hz）をかけた。セッションさせた（図１A）。

終了後、テトロード電極を 40 µｍまたは 75 µｍ下すことで、・go 行動：匂い A の提示後、2 秒以内に水ポートに鼻を入日々新たなニューロン集団から記録した。
データは全て Matlab（Mathworks）を用いて解析した。

れて水報酬を得る。
・no–go 行動：匂い B の提示後、水ポートに鼻を入れず 2記録したマルチユニットをオフラインにてスパイクソーティングすることで、シングルユニットとして解析した。

秒間待つ。
go 行動では、2 秒以内に水ポートに鼻を入れられなかっ3. 結た場合、no‒go 行動では 2 秒間待てなかった場合、次試行

果

go 試行はランダムに提示し、1 日に 1 セッション、数百試

3 . 1. 匂いを手掛かりとした go/no–go 行動学習課
題遂行中の前梨状皮質ニューロン活動の解析行を行わせた。タスクの制御はコンピューター制御で自動学習が成立したラットは、匂い A が提示されれば、隣化して行った（Bpod、Sanworks）。匂いの制御は自作オルの水ポートに行き水報酬を獲得する行動を行い、匂い B がファクトメーターを用いて行った。オルファクトメーター提示されれば、水ポートには行かず待つ行動を獲得した。

はタスク制御装置によってコンピューター制御できるよう

この、go/no‒go 行動学習課題遂行中の前梨状皮質から多にした。使用する匂い分子は様々な化合物またはその混合数のニューロン活動を記録した。前梨状皮質ニューロンは、物を使用し、実験ごとに変えた。

行動時の様々な場面で応答した。その中で、記録した 251に移行するまでに 2 秒間の遅延罰を与えた。go 試行と no‒

逆転学習は、上記の匂いを手掛かりとした go/no–go 行個のニューロンのうち、138 個のニューロンが、匂い提示動学習成立後、刺激－報酬の連合関係を、セッションの途区間と、その後の特定の行動状態（シーン）の 2 か所で応答

中で、匂い A → no‒go 行動、匂い B → go 行動の関係にすることが分かった。図 1 B は匂い提示シーンとその他シ突然入れ替えることによって行った。

ーンの 2 か所に応答するニューロンの例（３例）である。匂徐波睡眠中のニューロン活動をモニターするために、行い提示後のどのシーンに対して応答するかはニューロンご動学習課題の前後にラットをオペラントボックスに入れたとに異なっていた。図 1 C は、匂い提示時に応答したニュ

まま 1 ‒ 2 時間放置し、ラット睡眠中（前睡眠、後睡眠）のーロンが、その後のどのシーンで応答するかを示した図で前梨状皮質ニューロンの活動を記録した。

ある。正解した試行のみを用い、各行がそれぞれのニューロンの活動パターンを示し、応答のピークが黄色になるよ

2 . 2 . 電気生理とデータ解析

うにカラーマップで示した。ニューロンを、応答のピークケタミン（67 . 5 mg/kg）およびメデトミジン（0 . 5 mg/kg）の順番に並べると、匂い提示後のすべてのシーンをカバーにて麻酔したラットの前梨状皮質に 15 本のテトロード電するように応答することが分かった（匂いが出るシーンの極を挿入する手術を行った。テトロードは直径 12 . 5 µm の後、黄色い線が、ニューロン間で連続して続いているようタングステンワイヤー（California Fine Wire）を 4 本束ねに見える）。また、匂い B に応答するニューロンは、水ポたものを使用した。テトロードは自作マイクロドライブ

ートに行かず待機するシーンのすべてをカバーするようにに取り付け、マイクロドライブ上のケーブル接続用基盤に応答することが分かった。すなわち、これらのニューロン接続した。マイクロドライブは、ネジを動かすことで電極は、匂い刺激と、特定のシーンとを連合するニューロンでの深度を変えられる装置であり、日々深度を変えることで、あると考えられた。

多くのニューロンの活動を記録できる。これをラット頭部に設置でき、ラットの行動を制限しないサイズに設計した。

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コスメトロジー研究報告 Vol.27, 2019

図1

学習課題と aPC ニューロンの応答

A：匂いを手掛かりとした go/no-go 行動課題B：課題遂行中の aPC ニューロンで見られた、匂い提示区間とその後のシーンの両方に応答するニューロンの例
C：匂いとその後のシーンの両方に応答するニューロンを、シーン応答のピーク順に並べたもの

3 . 2 . go/no‒go 行動学習課題の逆転学習時の前梨状皮質ニューロンの解析ーンの両方に応答するニューロンが記録されたが（図 2 C

匂いを手掛かりとした go/no‒go 行動学習課題を充分にる。
）、逆転学習成立後には、匂い A とその後の no‒go 行動学習したラットを用いた。ある日のセッション中、刺激時の特定のシーンの両方に応答するニューロンが記録され－報酬の連合関係を、匂い A → no‒go 行動、匂い B → goるようになった（図 2 C 左下）。また、逆転学習前には、匂行動の関係に突然入れ替える逆転学習を行わせ、その際のい B とその後の no‒go 行動時の特定のシーンの両方に応答前梨状皮質ニューロンの活動を継続的に記録した（図 2 A）。

するニューロンが記録されたが（図 2 C 右上）、逆転学習成刺激－報酬の連合関係を逆転されると、逆転直後には、そ立後には、匂い B とその後の go 行動時の特定のシーンのれまでの学習で得られた行動を行うため正答率は落ちるが、両方に応答するニューロンが記録されるようになった（図ラットが新しいルールを学習すると共に正答率が上昇した。

2 C 右下）。すなわち、逆転学習によって匂いと行動の新

図 2 B に、ある日の正答率を示す。安定した正答率（80 ％しいルールを学習すると、梨状皮質ニューロンの発火パタ以上）が得られた段階で、匂いと行動との関係を逆転したーンも新しい刺激－行動の連合関係を構築することを意味（図 2 B 赤線）。一旦正答率は落ちるが、数十試行後には高しており、匂いとそれに紐づくシーンの両方に応答するニい正答率に達した（図 2 B グレー線）。前梨状皮質の応答は、ューロンの応答特性は、学習によって形成されると考えら

逆転学習前には、匂い A とその後の go 行動時の特定のシれる。

左上、ここでは、匂いが出たあとのシーンのみを示してい− 202 −香りの記憶形成・固定化メカニズムの解明

図2

逆転学習と逆転学習による aPC ニューロンの応答変化

A：逆転学習 試行途中から赤矢印の関係に突然変化する
B：逆転学習時の正答率の変化
C：逆転学習前後における、シーンに対する応答変化 上段 ; 逆転学習前、下段 ; 逆転学習後

3 . 3 . 課題後のニューロン再活性化の解析

皮質鋭波に同期して発火するようになった。すなわち、行匂いを手掛かりとした go/no‒go 行動学習課題に加え、動課題で発火した匂い区間とシーンの両方に応答するニュ

その前後の睡眠中の前梨状皮質ニューロンの活動も記録し、ーロンが、課題後の徐波睡眠中、ニューロン発火活動の再覚醒中の課題遂行時に活動したニューロンが、その後の徐活性化を起こしたと考えられる。

波睡眠時に、嗅皮質鋭波に伴って再活性化するかどうかを4. 考検証した（図 3）。匂いを手掛かりとした go/no‒go 行動課

察

題中に、匂いとその後のシーンの両方に応答したニューロ

本研究で見つかった、匂いとそれに紐づくシーンの両方ン 2 例を示す（図 3 真ん中のヒストグラム）。左右のヒストに応答するニューロンは、匂いとシーンを連合する役割をグラムは、それぞれのニューロンが課題前後の睡眠中、嗅もつニューロンであると考えられる。また、逆転学習の結皮質鋭波に同期して発火したかどうかを示すグラフである。

果から、匂いとシーンの連合関係は学習依存的であると考0 を嗅皮質鋭波のトラフとして、鋭波のトラフ前後に発火えられる。各々の前梨状皮質ニューロンが異なるシーンにしたかどうかを多数の嗅皮質鋭波イベントの加算で表した。

対して応答することから、前梨状皮質のニューロン集団でピンクのラインを越えれば、統計的に有意に発火したとい見ると、匂いとそれに紐づくシーンの集合である、エピソえる。これらのニューロンは、前睡眠中、嗅皮質鋭波出現ードを表象すると考えられる。すなわち前梨状皮質は、匂時に同期した発火はほぼ見られなかったが、後睡眠では嗅い情報とエピソードの連合学習の場である可能性がある。

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コスメトロジー研究報告 Vol.27, 2019

図３ 課題前後の睡眠時における、匂いとその後のシーンの両方に応答する aPC ニューロンの再活性化

前梨状皮質は、嗅球から直接入力を受ける。また、嗅皮あり、匂いがどのように記憶や行動に結びつくのかについ質亜領域同士が密に連絡しており、嗅覚情報は嗅球から直てはほとんど不明であった。しかし近年、嗅球の基本的な接、または他の嗅皮質亜領域経由で入力されるので、匂い回路機構が解明され、嗅球の次の高次領域である嗅皮質の提示区間での応答は、これらの経路からの入力であると考機能に注目が集まってきた。嗅皮質は、嗅球からの匂い情えられる。一方、シーン情報はどこから来るのか？最近報を統合するだけでなく、高次野からのトップダウン入力

我々は、内側前頭前野から直接入力を受ける ventral tenia

を受ける領野であり、匂い情報とトップダウン情報の連合

tecta（VTT）と呼ばれる嗅皮質亜領域のニューロンが、様々の場であると考えられてきた。

なシーンに特異的に応答することを発見した 6）。前梨状皮

本研究は、匂い情報とそれに紐づくエピソードとが前梨質で見られたように、シーンに応答する VTT ニューロン状皮質で連合するという新しい仮説を提唱するものであり、を集めると、行動中のすべてのシーンに対応することが本研究を足掛かりとすることで匂い記憶の研究の発展に寄分かった。すなわち、VTT ではエピソードを表象するこ与したいと考えている。また、本研究は、これまで心理学とが分かった。前梨状皮質は VTT から直接入力を受ける的な考察しかされてこなかったプルースト効果を、神経科ため、シーンの情報は VTT から入力される可能性がある。

学的に解明する糸口になる可能性があり、今後の研究の発また、前梨状皮質は眼窩前頭皮質からの直接入力を受ける。

展が期待できる。今後は、オプトジェネティックスなどを内側前頭前野と眼窩前頭皮質も密に連絡があり、シーン情導入し、匂いとシーンとの連合を阻害したときにどのよう報は眼窩前頭皮質から入力される可能性もある。

な行動変化が起こるのかを明らかにしたい。

匂いとそれに紐づくシーンの両方に応答する前梨状皮質エピソードの想起は、単に起こったことを思い出すだけ

ニューロンは、課題後の徐波睡眠時、嗅皮質鋭波に伴ってでなく、そのときの心理的な状況（楽しかったや悲しかっ再活性化することから、嗅皮質鋭波は覚醒時の記憶の固定たなど）も想起される。すなわち、エピソードには、情動化に寄与している可能性がある。

や感情などの情報も内包されると考えられる。匂いの印象

5. 総は大抵、何らかの情動や感情が伴うことが多い。本研究は

括

匂いとシーンの連合に着目したが、匂いとそれによって起これまでの嗅覚研究は、匂い情報をどのように獲得し、こる情動や感情などの連合も梨状皮質上で起こっている可

匂いがどのように脳で表現されるかについての研究が主で能性があり、本研究を発展させることで、我々が嗅いだ匂− 204 −香りの記憶形成・固定化メカニズムの解明

いに抱く印象がどのようにして起こるのか、その神経回路

2）鈴木道彦 .『プルーストを読む─『失われた時を求めて』の世界』集英社新書 . 2002 ISBN 978‒4087201758.

機構を明らかにできるかもしれない。
徐波睡眠時に起こる、嗅皮質鋭波での再活性化は、成立

3）Back L, Axel R. A novel multigene family may

した記憶の固定化の場としての機能を持つと考えられ、こencode odorant receptors: A molecular basis for odorの再活性化の阻害による記憶定着の阻害実験などを行いた

recognition. Cell. 65（1）: 175‒187, 1991.

いと考えている。また、今回の研究では、前睡眠→課題→

4）Wilson MA, McNaughton BL. Reactivation of

後睡眠を通じて記録できたニューロンの数が少なく、再活

hippocampal ensemble memories during sleep. Science.

性化のルールや、逆転学習後の再活性化様式などは不明の265: 676‒679, 1994.

ままであり、今後の研究で明らかにしたいと考えている。

5）Manabe H, Kusumoto–Yoshida I, Ota H, Mori K.

今後、今回発見した匂いとエピソードの両方をコードす

Olfactory Cortex Generates Synchronized Top–Down

るニューロンの連合学習様式と再活性化様式をさらに解明

Inputs to the Olfactory Bulb during Slow–Wave Sleep.

していくことで、匂い記憶とその固定化の神経機構の基本

The Journal of Neuroscience. 31（22）: 8123–8133, 2011.
6）Shiotani K, Manabe H, Tanisumi Y, Murata K, Junya

ロジックを明らかにしたい。

H, Sakurai Y, Mori K. Tuning of ventral tenia tecta（引用文献）

neurons of the olfactory cortex to distinct scenes of1）Ernst A. The Proust Effect: The Senses as Doorways

feeding behavior. BioRxiv. doi: 10.1101/455089.

to Lost Memories. Perception. 43: 1404‒1406, 2014.

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