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はてなキーワード: 場所細胞とは
統合失調症の病態を理解する新たな理論的枠組みとして、神経回路レベルの情報処理における「最小作用の原理」からの逸脱が異常体験を引き起こすという仮説を提唱する[1][2][3]。
この理論は、従来のドーパミン仮説や神経回路異常説を統合し、自由エネルギー原理とベイズ推論の破綻を量子力学的アナロジーで説明する。
前頭葉-辺縁系のドーパミン伝達異常が神経回路の同期性を乱すことで、脳内の「作用積分」最小化プロセスが阻害され、確率的経路探索が活性化される。
その結果、通常は抑制される量子力学的な重ね合わせ状態が認知プロセスに顕在化し、幻覚・妄想などの陽性症状が発現するメカニズムを提案する。
神経回路の情報処理を特徴づける自由エネルギー原理は、ベイズ推論による予測誤差最小化の過程を定式化したものと解釈できる[3]。
この理論的枠組みにおいて、脳は外界の生成モデルを内在化し、感覚入力との予測誤差を最小化するように神経活動を最適化する。
この過程を物理系の「作用積分」最小化と数学的に等価なプロセスとして再解釈する。
神経回路の時々刻々の活動パターンは、ラグランジアン関数で定義される作用積分の極小値を探索する経路として記述可能である[3]。
従来のドーパミン仮説では、中脳辺縁系のD2受容体過活動が陽性症状の原因とされてきた[1]。
この理論的拡張として、ドーパミンシグナルが作用積分の地形形成に寄与する要因と位置づける。
具体的には、ドーパミンが神経回路の接続重み（シナプス強度）を調整することで、作用積分の局所的最小値の分布を変化させる。
統合失調症ではこの調節機能が破綻し、最適経路から外れた異常な作用極小値へのトラップが生じると考える[2][3]。
理研のモデルマウス研究で示された海馬の場所細胞異常[2]は、空間認知における作用積分最小化の失敗例と解釈できる。
通常、迷路探索時の神経活動は経路積分の最適化過程を反映するが、カルシニューリン変異マウスでは過剰な神経発火が作用地形の乱れを引き起こす。
この現象を、量子力学における経路積分の確率的広がりと数学的に類似した過程としてモデル化する。
前頭葉ドーパミン伝達の低下が皮質下系の過活動を引き起こすという修正ドーパミン仮説[1]を、作用積分の多極化現象として再解釈する。
ドーパミン濃度の地域差が神経回路の「温度パラメータ」として機能し、確率的経路選択の度合いを調整すると仮定する。
統合失調症患者ではこのパラメータが異常値を示し、確率的重み付けが狂うことで通常は無視される高エネルギー経路が選択されやすくなる[3]。
通常の認知処理では、多数の可能な神経活動経路のうち作用積分が最小となる古典的経路が支配的である。
しかし統合失調症では、神経回路のノイズ特性変化やドーパミン調節異常により、経路積分の確率分布が歪む。
この状態をシュレーディンガー方程式の非調和振動子モデルで記述し、固有状態の重ね合わせが異常知覚として体験されると考える。
観測問題を神経活動のマクロな収束過程と対応づける。通常、意識的注意が神経活動の波動関数を特定の状態に収束させるが、統合失調症ではこの収束プロセスが不安定化する。
特にデフォルトモードネットワークの過活動[2]が、内在的な観測者機能を阻害し、重ね合わせ状態の持続を許容すると仮定する。
マルチエレクトロード記録と光遺伝学を組み合わせ、迷路課題中の海馬神経集団の活動経路を作用積分で定量化する[2]。
統合失調症モデル動物で経路積分の分散が増大することを予測し、抗精神病薬投与によりこの分散が収束するかを検証する。
神経細胞集団間の同期性を量子もつれのアナロジーで測定する新規指標を提案する。
fMRIと脳磁図（MEG）を組み合わせ、デフォルトモードネットワーク内のコヒーレンス持続時間を計測することで、異常な量子状態の持続性を評価する[2][3]。
経頭蓋磁気刺激（TMS）を用いて特定神経回路の作用積分地形を改変する。前頭前皮質への高周波刺激により、異常な局所最小値から脱出するエネルギー障壁を低下させる[1][3]。
ドーパミン受容体部分作動薬により神経回路の「温度パラメータ」を調整し、確率的経路選択の重み付けを正常化する。
特にD1/D2受容体のバランス調節が、作用積分の地形平滑化に寄与すると予測する[1][3]。
本理論は、統合失調症の病態を神経回路レベルの情報最適化プロセスの破綻として再解釈し、異常体験の発生機序を説明する。
自由エネルギー原理と作用積分最小化の数学的等価性[3]、海馬の経路符号化異常[2]、ドーパミン調節障害[1]を統合する新パラダイムを提示した。
今後の課題は、量子神経科学的手法による理論の実証と、作用地形を標的とした新規治療法の開発である。
これにより、精神疾患の理解が物理学的原理に基づく統一理論へと発展する可能性が開かれる。
Citations:
[2] https://www.riken.jp/press/2013/20131017_1/index.html
Physics の青色ダイオードの中村・赤崎・天野の受賞や私戦予備陰謀疑いのほうがさわがしいかもしれませんが，ノーベル生理学・医学賞に関して．
John O' Keefe, May-Britt Moser, Edvard Moser の三名が 2014 年のノーベル生理学・医学賞を受賞した．受賞理由は脳の位置定位系を構成する細胞の発見に対してである．“for their discoveries of cells that constitute a positioning system in the brain”. 視覚や聴覚，触覚で得た物理的な環境のあるいは自己の位置に関する情報は脳内でどのように処理されているだろうか．力学的に考えると，質点と空間座標と時間の成分がありそうなものである．マウス生体での神経科学的な実験で，位置特異的に神経の活動（活動電位の頻度）が上昇する細胞が海馬でみつかった．最近の in vivo の実験で place cell の特性や grid cell の特性，視覚系・運動系との place cell 回路の連絡等がさらに解明され始めている．少し古い神経生理学に関連する著名な科学者では，James Gibson や David Marr が有名かもしれない．聴覚系での位相差からの音源位置推定，視覚系での網膜および外側膝状体 LGN，一次視覚野，高次視覚野の回路等感覚の認知の神経科学はよく調べられてきたが，受賞対象の位置定位系は脳内の感覚と運動を統合する上で重要な具体的な情報表現と情報処理にせまった分野になっている．
ごくごく戯画化した，脳の作動機構は，神経細胞は他の細胞と同様に細胞膜をもちその内外のイオン組成をポンプとチャネルとよばれる細胞膜にタンパク質で糖を燃焼してえたエネルギーを元に維持する．神経細胞が同士が突起を多数のばし接触点を多数つくりそこで，膜のイオンを電位差をより正にする化学分子を放出したり，より負にする化学分子を放出したりする．電位差が十分小さくなると多くの神経細胞では電位依存的なナトリウムイオンチャネルが活発に作動し突起を一次元的に減衰せずに伝わっていく活動電位をおこす．多くの神経系での通信と計算の実体は，この化学伝達と電気伝導の組合せで，静的な記憶は細胞の結合（シナプス synapses）が構成する回路に，シナプスの化学伝達特性や回路水準の論理演算やより高度な情報処理の結果であると作業仮説がたっており，具体的な情報処理の神経回路の機構を解明することは重要である．
位置定位系の回路を構成する要素の place cell は，脳の大脳の海馬とよばれる短期記憶や長期記憶化に重要な部位にあるアンモン角 (Cornu Ammonis)の錐体（神経）細胞 pyramidal neuronである．特定の場所で活動が上昇することが証明されている．脳内の空間情報処理で他の細胞とともにどのような回路をなしているか調べるには，place cell への入力と出力，place cell 間の直接的な結合をさらに調べることになる．O'Keefe, Moser 以後も熱心に研究されている神経科学の重要な問題である．海馬に出力する嗅内皮質 entorhinal cortex の格子細胞 grid cell（環境のスケールに応じた格子を表現するようなユークリッド空間中の格子のような役割を担う細胞）,各所の頭方位細胞 head direction cell，時間細胞 time cell も発見されている．物理学的な情報の表現と計算に必要な神経回路の構成要素がわかりその作動機構がわかってきそうな気がしてくる．21 世紀は，人体生理学のおそらく最大で最後の問題である脳の作動機構の同定にかなりせまってきており，先のことはよくわからないが脳のことは今世紀中にはだいたいのことがわかり，計算機でもっとよい知能が実装できそうな勢いである．
ノーベル賞は「物理学、化学、医学生理学、文学、平和、経済（ただし経済分野はスウェーデン国立銀行賞）」の分野で重要な業績を残した個人に贈られる．Physiology or Medicine の分野ではカロリンスカ研究所が選考にあたる．ノーベル賞は，ダイナマイトの開発生産でノーベルが残した遺産を基金としはじまった．現代では，数学の Fields Medal や計算機の Turing Award とならびたつような権威ある賞として，世界中で科学の営みに参加する人々・興味ある人々が注目する伝統儀式を続けるお祭りになっている．医学生理学の分野では生理学的に重要な機構の解明や臨床応用で人類の医学的な福利向上につながる発見などにおくられる．なかなか毎年趣味がよいとおもわれる．繰り返しであるが，選考委員会が示した，今回の授賞は，脳での空間認識の回路で重要な働きをする place cell 場所細胞の発見が理由である．
匿名ダイアリーにこんな言い訳も不要かと思うのだけれど，ノーベル賞委員会の公式アナウンスメントとFundamental Neuroscience か Principles of Neural Science や関連論文や日本語の教科書・一般書等を読めばよい．高校生物に毛が生えた教養程度の神経科学の知識しかない劣等の学部生ながら，今回受賞の対象になった O’ Keefe と Moser 夫妻の神経系における自己位置の表現の神経回路の重要な細胞というテーマに興味があるので駄文を書いた．
脳科学辞典 場所細胞 http://bsd.neuroinf.jp/wiki/%E5%A0%B4%E6%89%80%E7%B4%B0%E8%83%9E
