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June 11, 2023

学習、記憶や認知に関係する海馬に発生するシータ波について

Theta wave

シータ波

https://en.wikipedia.org/wiki/Theta wave

From Wikipedia, the free encyclopedia

フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』より

Theta waves generate the theta rhythm, a neural oscillation in the brain that underlies various aspects of cognition and behavior, including learning, memory, and spatial navigation in many animals.[1][2] It can be recorded using various electrophysiological methods, such as electroencephalogram (EEG), recorded either from inside the brain or from electrodes attached to the scalp.

シータ波は、多くの動物で学習、記憶、空間ナビゲーションなど、認知や行動のさまざまな側面を支える脳内の神経振動であるシータ律動を発生させる[1][2]。脳波などのさまざまな電気生理学的手法を用いて、脳内または頭皮に装着した電極から記録することができる。

At least two types of theta rhythm have been described. The hippocampal theta rhythm is a strong oscillation that can be observed in the hippocampus and other brain structures in numerous species of mammals including rodents, rabbits, dogs, cats, and marsupials. "Cortical theta rhythms" are low-frequency components of scalp EEG, usually recorded from humans. Theta rhythms can be quantified using quantitative electroencephalography (qEEG) using freely available toolboxes, such as, EEGLAB or the Neurophysiological Biomarker Toolbox (NBT).

シータ律動には、少なくとも2つのタイプがあることが知られている。海馬シータ律動は、齧歯動物、ウサギ、イヌ、ネコ、有袋類など多数の哺乳類の海馬や他の脳構造で観察できる強い振動である。"皮質シータ律動 "は、通常ヒトから記録される頭皮脳波の低周波数成分である。シータ律動は、脳機能画像解析用ソフト(EEGLAB)や神経生理学的バイオマーカーツールボックス(NBT)などの自由に利用できるツールボックスを使って、定量的脳波検査(qEEG)で定量化することができる。

hippocampal theta rhythm:海馬のシータ律動
rodents 齧歯動物
eeglab 脳機能画像解析用ソフト
Neurophysiological 神経生理学的
Biomarker Toolbox バイオマーカーツールボックス

In rats, theta wave rhythmicity is easily observed in the hippocampus, but can also be detected in numerous other cortical and subcortical brain structures.Hippocampal theta waves, with a frequency range of 6–10 Hz, appear when a rat is engaged in active motor behavior such as walking or exploratory sniffing, and also during REM sleep.[3] Theta waves with a lower frequency range, usually around 6–7 Hz, are sometimes observed when a rat is motionless but alert. When a rat is eating, grooming, or sleeping, the hippocampal EEG usually shows a non-rhythmic pattern known as large irregular activity or LIA. The hippocampal theta rhythm depends critically on projections from the medial septal area, which in turn receives input from the hypothalamus and several brainstem areas. Hippocampal theta rhythms in other species differ in some respects from those in rats. In cats and rabbits, the frequency range is lower (around 4–6 Hz), and theta is less strongly associated with movement than in rats. In bats, theta appears in short bursts associated with echolocation.

ラットでは、シータ波の律動性は海馬で容易に観察されるが、他の多くの皮質および皮質下脳構造でも検出される。海馬のシータ波は6-10Hzの周波数帯で、ラットが歩行や探索嗅覚などの活発な運動行動をとっているときや、レム睡眠時に出現する[3]。ラットが動かずに警戒しているときに、より低い周波数帯、通常6〜7Hz程度のシータ波が観察されることがあります。ラットが食事、グルーミング、睡眠をしているとき、海馬脳波は通常、大不規則活動またはLIAとして知られる非律動的なパターンを示す。海馬のシータ律動性は、内側中隔領域からの投射に決定的に依存しており、その投射は視床下部といくつかの脳幹領域から入力される。他の生物種における海馬のシータリズムは、ラットのそれとは異なる点がある。ネコやウサギでは、周波数帯域が低く(約4〜6Hz)、シータはラットに比べて運動との関連性が低い。コウモリでは、シータはエコーロケーションに関連した短いバーストで出現する。

rhythmicity 律動性(周期的に一定の動作を繰り返す様子)
REM sleep ;レム睡眠
REM(rapid eye movement):急速眼球運動
medial septal area 内側中隔領域
echolocation:エコロケーション」とも》反響定位。動物が音や超音波を発し、その反響によって物体の距離・方向・大きさなどを知ること。

In humans, hippocampal theta rhythm has been observed and linked to memory formation[4][5] and navigation.[6] As with rats, humans exhibit hippocampal theta wave activity during REM sleep.[7] Humans also exhibit predominantly cortical theta wave activity during REM sleep.[8] Increased sleepiness is associated with decreased alpha wave power and increased theta wave power.[8] Meditation has been shown to increase theta power.[9]

ヒトでは、海馬のシータ律動性が観察され、記憶形成[4][5]やナビゲーションと関連している[6]。ラットと同様に、ヒトはレム睡眠中に海馬シータ波活動を示す[7]。ヒトもレム睡眠中に主に皮質シータ波活動を示す[8]。眠気の増加はアルファ波パワー低下とシータ波パワー上昇と関連がある。瞑想はシータパワーを高めると示されている。[9]

The function of the hippocampal theta rhythm is not clearly understood. Green and Arduini, in the first major study of this phenomenon, noted that hippocampal theta usually occurs together with desynchronized EEG in the neocortex, and proposed that it is related to arousal.Vanderwolf and his colleagues, noting the strong relationship between theta and motor behavior, have argued that it is related to sensorimotor processing. Another school, led by John O'Keefe, have suggested that theta is part of the mechanism animals use to keep track of their location within the environment. Another theory links the theta rhythm to mechanisms of learning and memory (Hasselmo, 2005). These different theories have since been combined, as it has been shown that the firing patterns can support both navigation and memory.[10]

海馬のシータ律動性の機能は、明確に理解されていない。GreenとArduiniは、この現象に関する最初の主要な研究で、海馬のシータは通常、新皮質の脱同期脳波と一緒に起こることを指摘し、それが覚醒と関連していることを提案した。Vanderwolfらは、シータと運動行動の間に強い関係があることに注目し、感覚運動処理に関係すると主張した。また、ジョン・オキーフを中心とする別の学派は、シータ波は動物環境内の自分の位置を把握するためのメカニズムの一部であると提唱している。また、シータ律動性を学習や記憶のメカニズムと関連付ける説もあります(Hasselmo, 2005)。その後、発火パターンがナビゲーションと記憶の両方をサポートすることが示されたため、これらの異なる理論は統合された[10]。

desynchronized 脱同期
desynchronized sleep 脱同期睡眠
Neocortex 新皮質
motor behavior:運動行動

In human EEG studies, the term theta refers to frequency components in the 4–7 Hz range, regardless of their source. Cortical theta is observed frequently in young children.[11] In older children and adults, it tends to appear during meditative, drowsy, hypnotic or sleeping states, but not during the deepest stages of sleep. Theta from the midfrontal cortex is specifically related to cognitive control and alterations in these theta signals are found in multiple psychiatric and neurodevelopmental disorders.[12]

人間の脳波研究では、シータという用語は、その発生源に関係なく、4〜7Hzの範囲の周波数成分を指します。皮質シータは幼児に多く観察され[11]、年長者や成人では、瞑想状態、眠気、催眠状態、睡眠状態に現れる傾向があるが、睡眠の最も深い段階には現れない。内側前頭皮質からのシータは、特に認知制御に関連しており、これらのシータ信号の変化は、複数の精神疾患および神経発達障害に見られる[12]。

midfrontal cortex  内側前頭皮質

用語
研究成果「学ぶほど頭がよくなる仕組みがわかった 」

https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/press/p01_170915.html

研究成果「学ぶほど頭がよくなる仕組みがわかった 」

1.タイトル:「学ぶほど頭がよくなる仕組みがわかった」

2.発表概要:

  経験的に、学ぶことで頭をよく使えば、学習能力が高まることが知られているが、この際脳の細胞にどのような変化があるか、詳細について不明であった。マウスの海馬において、今回、学習の際に特徴的に現れる脳回路活動(シータ波)によって、記憶形成を担う海馬新生ニューロンの分化が促進されることがわかった。「学ぶほど頭がよくなる仕組み」の一端を垣間見ることができた。

3.発表内容:
成人の海馬では、どんなに歳をとっても新しくニューロンが生み出されつづけていて、記憶を形づくるはたらきをしている。学習などで、海馬の活動が高まると、新生ニューロンの数が増加することが報告されてきたが、この仕組みについては全く不明であった。東京大学大学院新領域創成科学研究科の久恒辰博助教授および戸塚祐介(大学院生)らのグループは、海馬にシータ波が伝わるとニューロン前駆細胞が刺激され、ニューロンへの分化が促進されることを発見した。この際、最終的には新生ニューロンの数が増加することも証明した

増大特集 学習と記憶――基礎と臨床
海馬神経回路における同期的リズム活動の発生メカニズム
https://webview.isho.jp/journal/detail/abs/10.11477/mf.1416100308

はじめに

 海馬では,動物の行動状況に応じてさまざまな周波数帯域の脳波が観察される。探索行動時やレム睡眠中にはシータ活動(4〜12Hz)やガンマ活動(30〜80Hz)1-3),摂じ行動時やノンレム(徐波)睡眠中には鋭波関連リップル活動(80〜250Hz)が観察される4)。また神経細胞が病的な過興奮状態に陥ると,てんかん発作(3〜5Hz)が誘発される。このような脳波は,ニューロン群が同じタイミングで発火する「同期」と,ニューロン群が形成する律動性すなわち「リズム」による「同期的リズム活動」の反映と考えられる。この同期的リズム活動が動物の行動や脳の状態と密接に連関するという事実は,多数の神経細胞が一斉に律動的に活動することが脳神経回路の基本的な性質であり,これが脳機能の円滑な遂行に重要な役割を果たすことを示唆している。例えば,記憶のシナプスメカニズムのin vitroモデルである海馬LTP(長期増強)がシータ帯域の周波数を利用した刺激により効率的に惹起される5)ことなどからも,記憶・学習のメカニズムにおける同期的リズム活動の生理学的意義が推測できる。また,in vivo自由行動動物において,海馬のリズム活動が空間認知や記憶に本質的に関与していることも,最近明らかにされてきている2,6)。


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