エピソード記憶の数学的構造

Mathematical Structure of Episodic Memory

はじめに

　数々の臨床実験，生理実験から得られた知見に基づいて，海馬はエピソード記憶の形成に必須の器官であると考えられてきた。また近年，海馬の萎縮がアルツハイマー型認知症を引き起こすという報告もなされた。アルツハイマー型認知症は，現在はもとより高齢化社会が確実に訪れる近未来において深刻な問題であり，それだけに研究の視点から生活レベルに至るまで，実にさまざまな分野で，多くの人の関心を集めている。一理論研究者が，このように医学上重大でかつ社会的に大きな問題に挑戦することは無謀であるかもしれないが，筆者らは数学モデルから得られる知見が専門家の方々の研究や思索あるいは療法に役立つ可能性を信じて，海馬における情報表現の数学モデルを研究してきた。本稿では，海馬の数学モデルとその結果の概観，さらに，そこから導かれる海馬の障害と認知の関係に関する予測について述べる。数学モデルの結果の一部は，最近ラット海馬のスライス実験で部分的に確認されたことにも触れる。I章において，海馬がエピソード記憶の形成に必須の器官であることが解明された歴史的経緯を，最近の臨床例報告と合わせて簡単に振り返る。また最近，海馬の場所ニューロンのダイナミクスに関して興味深い報告がなされた。これは脳科学のホットな話題の1つであるアトラクターダイナミクスと遷移ダイナミクスの関係と深く関係しているので，II章でこの話題を取り上げる。III章においては筆者らの考えた海馬の数学モデルとそのダイナミクスについて紹介し，モデルが示す動的な挙動からいくつかの仮説を提案する。この研究の一部は，玉川大学塚田稔研究室との共同実験において実証されており，その結果も併せて紹介する。Ⅳ章はまとめと将来展望にあてる。そこでは，モデル海馬の神経回路が部分的に破壊されたときのネットワークの挙動から推定される記憶障害について議論する。

Abstract

　The hippocampus, which is a part of the old brain, has been considered responsible for the formation of episodic memory.　Atrophy of the hippocampus can lead to Alzheimer disease.　Alzheimer disease is a problem of the society.　It is also expected to pose a serious problem in future societies composed of large numbers of elderly people.　Therefore, it has become the focus of considerable attention.　Motivated by the rehabilitation process of Alzheimer's patients, we mathematically studied the coding scheme in the hippocampus.　We show that a mathematical model for CA3 exhibits successive recalls of memories which follow the emergent chaotic dynamics, where chaotic dynamics means ordered but comple and unpredictable neural activity.　We also show that a network consisting of two-compartment model neurons for CA1 produces Cantor sets, by which the input time series of CA1 can be hierarchically encoded.　We called this coding scheme Cantor coding.　Predictions obtained from the model study have been partially verified by experiments using rat hippocampal slices.