はじめに

我々の体験のすべてが脳を変化させます。それは、陶芸家が粘土板を再成形する様子とよく似ています。視線を向ける隅一つたりとも、会話を交わす一言ひとこと、あるいはわずかな震え一つすらも、連鎖的な影響をもたらします。化学物質が放出され、電気信号が奔流し、脳細胞間の結合が強化され、我々の心のモデルが更新されていくのです。ブレインズ大学の神経科学者クリスチン・グリーエンベルガー博士は、「脳は『信じられないほど可塑性が高く』、その性質は人間の生涯を通じて持続する」と語りました。この可塑性、すなわち容易に変形できる性質こそが、脳の学習能力を際立たせる鍵となります。そして、学習とは、小説のあらすじを記憶したり、新しい都市に導かれたり、新しい言語を習得したり、あるいは高温のストーブに触れないようにするなど、我々が生きていく上で不可欠な基本的なプロセスです。しかしながら、神経可塑性が脳内の結合をどのように再形成するかに関する根本的な法則については、神経科学者どもはまだ解明を進めています。

最近、神経科学者たちは、数秒というタイムスケール（時間軸）にわたって学習の過程を脳が獲得するのを助けると考えられている、新たな形態の神経可塑性を記述しました。これは、単一の体験からの学習行動プロセスそのものを捉えるのに十分な長さです。「The Journal of Neuroscience」および「Nature Neuroscience」誌に掲載された最近の二つのレビューにおいて、彼らは「行動時間軸シナプス可塑性（BTSP: Behavioral Timescale Synaptic Plasticity）」と名付けました。海馬（脳内の記憶のハブ）におけるこの種の学習は、複数のニューロンを同時に影響し、数秒間にわたって展開する電気的な変化によって引き起こされます。研究者たちは、これにより脳が一瞬での試みで学習できるようになる可能性があると考えています。

「[BTSP は] 即座の記憶形成につながる強力な、力強いメカニズムであることはかなり明確です」と、この理論の開発には関わっていなかったノースウェスタン大学の神経科学者ダニエル・ドムバック博士は述べています。「これは長らく分野において欠けていたものです。」

BTSP（行動時間軸シナプス可塑性）の解明によって、経験を通じて脳がどのように変化するかという物語の一端に光があたり、学習が起こる仕組みを理解する手がかりがさらに近づきました。テキサス南部医科大学大学の神経科学者アティラ・ロションジ博士は、「神経可塑性は……脳の最後のフロンティアの一つです」と言います。「もしこれを理解できれば、我々は脳の働きを理解するという点において大きな一歩を進むことができるでしょう」と付け加えています。

可塑的脳

現在では神経可塑性は事実として受け止められていますが、神経科学の 150 年ほどの歴史を通じて、成人期の脳は静的であると信じられてきました。「成人期の脳が変化できるという考えが、現代神経科学史において広く受け入れられたのは極めて遅い時期でした」と、MIT プレスから『Neuroplasticity』と題した初歩的な書籍を著した訓練を受けた神経科学者モヘブ・コストァンディ氏は述べています。「成人期の人間の脳は変化できないことを当然のこととして考えられていました。」1928 年、現代神経科学の創始者としてよく引用されるササン・ラモン・イ・カハル博士は、「成人大脳の中心部では神経回路は固定され、終了し、不変なものだ」と述べています。この考え方は 20 世紀半ばまで主流を維持しました。

私たちは現在、脳が分子から広大な連結にわたる尺度において、機能面においても構造的にも絶えず再形成されていることを理解しています。

神経可塑性の威力は、症例研究によって最もよく示されます。嗅球を持たずに生まれた患者でも、脳の他の部分が大変形して代替機能を果たすことで匂いを感知できました。また、乳幼児期に脳の左側全体が切除された別の患者も、右側の脳が左側の役割を引き継ぎ再構成した結果、現在では機能する生活を送っています。脳卒中や事故によって脳が損傷した場合でも、他のニューロンがその空白を埋め合わせ、話し言葉や歩行などの日常生活機能を回復させます。

神経可塑性は日常的な学習の原動力でもあります。このプロセスは主にシナプス可塑性、すなわち数兆にも及ぶニューロン間の結合の変化によって引き起こされると考えられています。脳は様々な方法で学習しますが、ある特定の概念が 70 年以上にわたって支配的でした。

1949 年、カナダの心理学者ドナルド・ヘッブ（Donald Hebb）は、現在では「ヘッビア可塑性」と呼ばれる学習理論を提唱しました。このモデルによれば、ニューロン同士がミリ秒単位以内に活性化された場合、それらの間の結合は物理的に強化され、将来はより一層同時に発火しやすくなります。その結果、時間をかけて概念や体験を表すネットワークが形成されます。言い換えれば、「脳内のネットワークほどよく使われるほど強く成为る」という考えであり、要約すると「一緒に発火するニューロンはつなげられる（neurons that fire together, wire together）」という表現で知られています。

1949 年、カナダの心理学者ドナルド・ヘッブは、神経科学における学習に関する支配的な理論である「ヘッビア可塑性」を提唱した。 UBC アーカイブス写真コレクション；ビクトリア大学図書館アーカイブ（UBC 41.1/2039-2）

しかし、神経科学者どもは「常にヘッビア可塑性が完全には正しくないのではないか」という疑念を抱いていましたと、ベイラー医学校院の神経科学者ジェフリー・メイジ氏は述べています。少なくとも、それは全ての話ではありませんでした。脳にレッスンを刻印するには経験を繰り返す必要があり、これは新しい都市や言語を学ぶ方法を説明できる枠組みですが、高温のストーブに触れるように、強烈な体験から単一の試みだけで学ぶことを説明するものではありませんでした。

それでもなお、より多くの説明メカニズムを見つけることは神経科学者の最優先事項ではなかったのです。「粒子物理学で欠ける粒子を探すような探索ではありませんでした」とロションジ氏は述べています。いくつかの隙間を埋める必要はあったかもしれませんが、大多数の研究者はヘッビア枠組みにはわずかな調整だけで十分だと想定していました。神経可塑性のより完全な理解が新しいメカニズムを含む可能性について考えていた者は少なかったのです。

力強い樹木（Mighty Trees）

2014 年、メイジ氏はネズミに電極を取り付けて神経活動記録を行っていましたが、ヘッビア可塑性に挑戦する意図は持っていなかったはずです。当時のメイジ氏（ホワード・ヒューズ医学研究所のジェンリアリサーチキャンパス所属）およびその学生クリスチン・グリーエンベルガー氏とケイト・ビットナー氏は、生きた動物におけるニューロンの腕と呼ばれる「เดนダライト（樹突）」の挙動を観察するよう試みていました。

これらの分岐は、ニューロンの一端で分子信号を受け取り、細胞体全体を駆け巡る電気的電流（活動电位）を誘発して急速に発火させます。このプロセスは、そのニューロンが自身の分子信号バッチを放出することで終わり、それらはネットワーク内の次のニューロンの樹突に取り付き、プロセスが続きます。

近年の数十年間、神経科学者どもは「树突活動が可塑性および一般的な neuronal 計算において極めて重要である」ということに『ゆっくりと気づいてきた』と、2025 年に The Journal of Neuroscience に掲載された BTSP に関する neuroscience societyシンポジウムのレビューを主導したシカゴ大学のポストドクアンチュア・マダール氏は述べています。「树突において起こる様々なイベントの『動物園』が存在する」と彼は付け加えました。それらは局所的あるいは全局的な電気的スパイクを発火でき、より大きくまたは小さい領域をカバーし、より長くまたは短い期間にわたって増幅することができます。神経科学者どもは、树突におけるこれらのイベントが単一のニューロンさえも複雑な計算を実行することを可能にする発見を行いました——つまり、树突こそが単一のニューロンが人工深層ネットワークと同程度の計算能力を持つ理由なのです。

それでもなお、树突の挙動については多くの未解明なものがありました。神経科学者どもは主に脳スライス（生きているニューロンはあるが、生きた動物とは連結していない状態）においてそれらを特性化してきました。「我々はそれを実際の行動する動物、あるいは実際の行動する脳へと持ち込むよう努力していました」とメイジ氏は述べています。

2014 年、彼らは樹突の挙動をより詳しく観察するために海馬に注目し始めました。海馬は経験的記憶を形成する特に可塑的な脳の領域であり、動物が環境を移動する際に発火する「場所細胞」の住処でもあります。これらのニューロンはいずれも特定的位置において発火するように学習します。その後、ネズミが再びその場所に戻った場合、細胞は関連情報を想起するためにネットワークに格納された情報を読み出し、再度発火します。

ベイラー医学校院の神経科学者ジェフリー・メイジ氏が 2017 年に BTSP を初めて記述したチームを率いました。 ジェフリー・メイジ氏提供

ネズミが円形のトラック上で走行する間、メイジ氏とそのチームは海馬樹突内で何が起こっているかを記録しました。そこで彼らは興味深い現象を観察しました。

神経科学者どもは長らく、樹突が長い期間にわたって活性化したままであり、休息時よりもわずかに高い電位を保持しつつ発火せず、これにより「プラットフォームポテンシャル（plateau potential）」と呼ばれる状態を形成することがあることを知っていました。プラットフォームポテンシャルはニューロンが発火する確率を増加させるため、この活動は神経可塑性において重要であるとされてきました。しかしネズミデータを検討している際、ビットナー氏は樹突がたった一つのプラットフォームポテンシャルを生み出した場所細胞のみが発火し始めたことに気づきました。

言い換えれば、樹突における単一の活動の爆発（burst）そのものが、その細胞を特定の位置での発火にチューニングしていました。以前は、ヘッビア学習を通じて複数の活動电位が場所細胞をエンコードするのに必要であり、動物が同じ場所を何度も探訪する必要があると考えられていました。

「なので我々は『えっ、これはどうなっているんだ？』となりました」とメイジ氏は述べています。これらプラットフォームを実験的に誘発した際、樹突の単一のプラットフォームの後、細胞は 99.5％の確率でその場所において発火しました。

研究者たちは大いに喜びました。「我々はオフィスを行き来し、文書を持ち回りながら『見てごらん、この結果』と興奮していました」と、当時メイジ氏のラボに所属していたルーツ工科大学の神経科学者アロン・マイスタイン氏は語ります。樹突は単にニューロンの発火を受動的に促すだけのものではなく、変化そのものを引き起こし、シナプスを一瞬のステップで強化していたのです。

メイジ氏とそのチームは 2015 年に研究成果を発表しました。その時、彼らはヘッビア可塑性の奇妙なサブタイプを観察したと信じていました。しかし、生きた動物の脳記録および脳スライスのデータにさらに詳しく注目した際、樹突活動とヘッビア可塑性との最大の違いは「時間」にあることに気づきました。

ほとんどのヘッビア可塑性の研究では、ニューロン同士がミリ秒単位以内に活性化された場合、その結合を強化または弱めることができます。一方、树突のプラットフォームポテンシャルは数十〜数百ミリ秒（時には 1 秒に近い）にわたって持続し、BTSP を通じてプラットフォームイベントの数秒前か後にあるシナプスを強化することもできます。

「これは全然標準的なヘッビア可塑性ではなかったことがかなり明らかになりました」とメイジ氏は述べています。「それはもちろんより興味深くなり、少しは緊張しました。なぜなら、我々はほぼ 100 年にわたる教条に対峙することになるからです。」

また、これもヘッビア可塑性が残してきた大きな疑問の一つに答えました：私たちの細胞が相対的に遅い人間の行動をどのように捉えるかという点です。

「もしもっとも単純な行動学習—even たとえば赤信号で止まることを学ぶこと、あるいは部屋の主な部分を探索して特定するだけでも—at least 数秒かかるでしょう」とインドのセンター・フォー・ハイクランツ・ナインセアンシングおよびトランスレイショナルアプリケーションズの神経生理学者アニャント・ジャーン氏は述べています。BTSP は、脳が数秒間にわたって展開する単一の活動爆発において行動をエンコードする方法を説明します。

この新しいメカニズムがヘッビア学習よりも行動的に関連性が高いように思えたため、メイジ氏は 2017 年の『Science』論文でこれを「行動時間軸シナプス可塑性（BTSP）」と命名しました。「名前をつけるのは私にはあまり得意ではありません」と彼は認めています。その後、同僚の神経科学者からの反応を待ったのです。

一度学習（One-Shot Learning）

当初、BTSP は分野内で反対意見を受けました。合理的な理由がありましたとメイジ氏は述べています。それは何十年にもわたって神経可塑性の教条に挑戦したからです。しかし過去数年間、他の研究者どもも自らそれを調査し始めました。

これは「一度学習に対する非常に説得力のあるモデルです」と、発見以前メイジ氏のラボで働いており現在 BTSP を研究しているテキサス南部医科大学大学のロションジ氏は述べています。動物が新しい技能をゆっくりと学ぶようなメカニズムとは異なり、BTSP は動物が檻の北西隅に食料が存在するか、あるいは南側に電撃ショックが存在することを—仅仅是その檻を一度だけ探訪した後—to 学習させるのに役立ちます。「あなたは『捕食者の場所』のように、一つの機会しか思い出せるないイベントを記憶する必要がある場合があります」とロションジ氏は言います。さもなければ「遺伝子プールから取り除かれてしまいます」。

それは洗練された説明ですが、正確なメカニズムはまだ不明です。「分子レベルではまだ未回答の質問がたくさんあります」とジャーン氏は述べています。しかし、神経科学者どもは現在いくつかの手がかりを得始めています。

初期の結果によると、特定の体験はシナプス（樹突が伸長するニューロン間の間隙）に、 elusive biochemical signatures である「eligibility traces（適格トレース）」と呼ばれるタグを付与することを示唆しています。これらのタグは数秒にわたって持続し、そのニューロンが最近活性化したため特定の体験に関連していることを示します。その後、次のニューロンにおいて、樹突のプラットフォームポテンシャルが広範な電位変化を引き起こし、全体樹突に広がります。このプラットフォームは eligibility trace を持つすべてのシナプスを強化します。

一部の研究では分子プロセスにフォーカスし始めました。2024 年、ジャーン氏とそのチームは、树突のプラットフォームポテンシャルが数秒間にわたる生化学的シグナルのカスケードを蓄積させ、その後学習において最も重要なタンパク質の一つである CaMKII を活性化させる可能性があることを報告しました。このタンパク質は樹突の表面積と受容体の数を物理的に増加させることでシナプス強度に直接影響を与え、細胞が発火する次回に神経伝達物質がより多く結合することを可能にします。

BTSP はまた、神経科学の継続的にあるパラドックス（難問）にも対処する可能性があります。なぜなら、それはすべての活性ニューロンではなく、関連する活性ニューロンのみを強化するためです。したがって BTSP は「credit assignment problem（信用割当問題）」——脳がどのニューロンが特定の体験をエンコードすべきか——という問題の解決に貢献するかもしれません。今やメイジ氏他は、BTSP が学習だけでなく、記憶の統合においても果たす役割を検討しています。

しかしドムバック氏は BTSP の重要性を過大評価することには慎重です。それは限られた状況でしか観察されていません：動物が場所を学ぶ際の海馬に限られます（ただし研究者どもは脳の高次プロセスが起こる新皮質において BTSP に関するいくつかの証拠を発見しました）。彼のラボでは、BTSP は一部の海馬細胞で発生しますが、すべてではありません。

ジャーン氏さえも、BTSP を非ヘッビア型学習のカテゴリーに入れる必要があると完全に信じていません。ヘッビア学習はしばしば曖昧に定義されており、ヘッブ自身もその作用する時間スケールについて曖昧でした。「ドナルドは必ずしもミリ秒内で起こることを明確に指定したことはなく、ニューロンが繰り返し一緒に発火する必要があるだけでした」と彼は言います。神経科学者どもが後に機械的にそれを再洗練させ、ミリ秒時間スケールを含めるようになったのは後になってからとジャーン氏は付け加えました。

大多数の神経科学者たちは、BTSP がヘッビア学習を置き換えるのではなく、むしろそれと共に働くと同意しています。「ヘッビア可塑性は脳開発や初期回路形成においておそらく大きな役割を果たすでしょう」とグリーエンベルガー氏は示唆し、一方で BTSP は成人のエピソード記憶の形成においてより重要である可能性があります。

BTSP についてはまだ多くが不明であり、特にメカニズムについてはマダール氏が「かなり投機的だ」と述べています。しかし彼は同時に、学習に対する原型モデルになる前に「ヘッビア可塑性も仮説でした」と認めました。脳が終わのない変化を通じて学び続けるという我々の理解自体も終わのない変化の中にあります。