Frontiers in Systems Neuroscience (日本語)

Introduction

前頭前野(PFC)機能に関する広く認識されている見解は、作業記憶におけるタスク関連の情報をエンコードすることである(Goldman-Rakic,1987;Miller and Cohen,2001;Baddeley,2003)。 この説明は、ワーキングメモリタスクの遅延期間中にPFCにおいて強い神経活動を示した数十年の研究に由来する（Fuster and Alexander、1971;Funahashi et al.,1993a;Wilson et al.,1993;Levy and Goldman-Rakic,2000)。, この遅延期間の活動には二つの重要な特性があります。 第一に、記憶されている刺激に特有であり、作業記憶の内容に関する情報を含む刺激と一致する。 第二に、それは手元のタスクに関連する刺激を符号化するだけである：それは気晴らしに耐性がある（Miller et al.,1996;Sakai et al.,2002)およびタスク無関係な情報はワーキングメモリにエンコードされていません(Rainer et al., 1998). 遅延期間活性のこれらの特性は、サルの単一ニューロンレベルで、ならびにヒトのイメージング研究においてより大きなスケールで観察されている（Courtney et al.,,1998;Zarahn et al.,1999;Curtis et al., 2004). サルでは、ＰＦＣから記録された単一のニューロンは、遅延の途中で気を散らす刺激が提示された場合でさえ、遅延期間にわたって刺激情報を維持する（Miller et al., 1996). 遅延期間の活動は、現在記憶にある刺激を反映すると考えられている(Fuster,1973;Funahashi et al.,1993a;Wilson et al.,1993;Procykとゴールドマン-Rakic,2006). ヒトにおいて、様々な画像化技術を用いた複数の研究もまた、PFCにおける遅延期間活性の増加を示している。, 例えば、機能的磁気共鳴イメージング（ｆｍｒｉ）を使用して、被験者が数秒の遅延にわたって作業記憶内の空間的位置を維持しながら、側方ＰＦＣにおいて持続的活性化を測定した（Ｃｏｕｔｎｅｙ ｅｔ ａｌ．, 1998).ワーキングメモリのためのPFC遅延活性の必要性は、PFCへの病変がサルの両方のワーキングメモリタスクにおいて強い赤字を生じることを示す研究によっ,1993b;Wilson et al.,1993;Levy and Goldman-Rakic,2000)およびヒト(Müller et al.,,2002;土田とフェローズ,2009;Voytekとナイト,2010). さらに、微小刺激による遅延期間活性の中断は、誤差率を増加させる（Wegener et al., 2008). さらに、遅延が長いほど、誤り率が大きくなり、刺激情報を保持するワーキングメモリの障害と一致する。 これらの知見は、PFCが記憶される刺激に関する情報がワーキングメモリに格納されているサイトであるという一般的な見解の基礎を形成している（最近のレビューについては、D’Esposito and Postle、2015を参照）。, しかし、最近、この理論に疑問を投げかけている研究が増えている（Druzgal and D’Esposito、2001;Curtis and D’Esposito、2003;Postle et al.,2003;Ranganath et al.,2004;Sreenivasan et al.,2014a,b;Postle,2015). このミニレビューでは、我々は簡単に普及している理論に対する証拠を議論し、ワーキングメモリにおけるPFCの役割のための代替提案のための新たな証拠

PFCはワーキングメモリストレージのサイトですか？,

PFCがワーキングメモリにおける刺激情報を表すという見解と矛盾する最初の証拠のいくつかは、ヒトにおける神経画像研究から来た。 研究者らは、PFCにおける遅延期間活性は、作業記憶に保持されている刺激に特有の情報をコードしないことを示した（Curtis and D’Esposito、2003;Riggall and Postle、2012）が、逆は後部感覚領域,2009;Harrison and Tong,2009;Serences et al.,2009;Emrich et al., 2013). これらの知見は，ＰＦＣが遅延期間中に活性であることを確認するので重要である。, しかし、彼らはまた、PFCがワーキングメモリ記憶の場所であった場合に予想されるように、pfcには刺激に関する情報が含まれていないことを示唆してい イメージング研究からの証拠に加えて、PFCの病変は常にワーキングメモリ記憶を損なうとは限らないことが報告されている。 側方PFCに局在する大きな病変を有する患者は、口頭および記憶スパンまたは遅延認識の試験に欠陥を示さなかった（D’EspositoおよびPostle、1999）。 同様の結果が、腹側ＰＦＣの病変を有するサルにおいて見出された（Ｒｕｓｈｗｏｒｔｈ ｅｔ ａｌ．, 1997).,

これらの不一致の発見を調整しようとすると、CurtisとD’Esposito（2003）は、pfcにおける遅延期間の活動のための別の役割を提案した：”PFCは、過去の感覚事象または将来 代わりに、その活性化は、実際に表現を格納する後部領域に対するトップダウンバイアス制御の余分なニーモニック源である。”病変、イメージングおよび電気生理学研究からの同様の証拠に基づいて、同様の提案がPostle（2006）によって提唱された。, 彼の影響力のあるレビューでは、ポストルは”ワーキングメモリにおける情報の保持は、非ワーキングメモリ状況におけるその情報の表現に責任がある同じ脳領域における持続的な活動と関連している”と主張し、これは”PFCはワーキングメモリにおける情報の記憶のための基質ではないことを意味する。”（Postle、2006）代わりに、Postleによれば、pfcのワーキングメモリへの寄与は、制御プロセス（例えば、注意選択、柔軟な制御など）のいずれかであり得る。 これは、ワーキングメモリタスクを実行するときにも必要です。,

しかし、最近まで、これらの見解を支持する電気生理学的証拠はほとんどありませんでした。 初期の研究では、Lebedev et al. (2004)は、ワーキングメモリ内のある空間的位置を維持するように訓練されたサルを訓練し、記憶された場所へのサッケードを作るためのgoキューを提供する別の場所に出席した。 彼らは、PFCにおけるニューロンの二つの集団を発見した：一方の集団は、サルが出席していた場所をコードし、他方の集団は、作業記憶における空間的位置をコードした（Lebedev et al., 2004)., これは、pfcニューロンが厳密に保守自体ではないワーキングメモリタスクにおいて異なる役割を果たすことができる最初のデモの一つでした。 ワーキングメモリタスクにおける代替役割PFCの追加の証拠は、研究者が遅延ペアアソシエイトタスクの実行中に記録されたニューロンデータの多変量パターン解析を使用した最近の研究から来ている（Stokes et al., 2013). 最初の刺激プレゼンテーション中に、PFC集団活動は刺激に関連する情報をエンコードしたが、この情報は記憶期間に持続しなかった。, その後の刺激プレゼンテーション中に、PFC集団活動は最初に新しい刺激の物理的性質をエンコードし、その後すぐにそれがターゲットまたはディストラクター したがって、PFCはワーキングメモリ自体に刺激情報を維持しないが、その情報にアクセスでき、後続の刺激が標的であるか気を散らすものであるかを確実に符号化することができる。

私たち自身の研究は、PFCがワーキングメモリにおける刺激情報の維持に必ずしも関与していないというさらなる証拠を実証している（Lara and Wallis、2014）。, の研修を実施したサルを多項目の作動記憶課題が記憶の色や色訳です。 私たちは、色の大規模なセットを使用し、識別は、多くの場合、色の色合いの微妙な変化を含む、非常に困難である可能性があります。 識別の難しさは、サルがタスクを正常に実行するためにワーキングメモリ内のサンプル色の非常に正確な表現を維持する必要がありました。 タスクの難しさにもかかわらず、サルはチャンスレベルを大幅に上回るタスクを実行す, しかし、その圧倒的多数のPFC神経細胞がエンコードの色刺激にいました。 代わりに、最も強い信号は、時間の経過と刺激の空間的位置を反映していました。 これらの信号の両方は、タスクのパフォーマンスに向けた行動を整理する上で重要な役割を果たすことができますが、作業記憶の内容を反映していま

さらなる分析では、ワーキングメモリ内の二つの色を維持しなければならないとき、彼らは項目の一つまたは他の小さな眼球運動（マイクロサッケード）を行う傾向があることがわかった。, これらのmicrosaccadesた行動の帰結として登場に反映隠。 動物がひそかにアイテムに出席した場合、それは作業記憶により正確な表現で保存されました。 動物は、増加したタスクの難易度に対処するために、アイテム間で注意をシフトさせているように見えました。 この状況では、神経活動は秘密の注意の軌跡を強く反映していました。 これらの結果は、Postle(2006)によって提唱されたアイデアを直接支持する。, タスクの重要な要件は、作業メモリ内の色情報を維持することでしたが、PFCニューロンが色をコードするという証拠はほとんどありませんでした。 しかし、これはPFCがタスクに関与していないことを意味するものではありません 代わりにPFC神経細胞の符号化された注意の制御信号の割合を算出しましたの動物。

上記の新興神経生理学的証拠に加えて、最近の病変研究は、ワーキングメモリにおけるPFC機能の一般的なビューに対してケースを強化します。 パステルナック他, (2015)サルに訓練を行遅れのマッチ-ツー-サンプルを用いたランダムドット刺激の変動コヒーレンス. 研究者らは、側方PFCの病変が対側に提示された刺激の動きの方向を覚えているサルの能力に中moderateの赤字を生じることを見出した。 しかし、この欠損は、PFCが運動刺激の仕様のコーディングに関与していなかったことを示す、運動の記憶された方向（例えば、運動コヒーレンス）につながった刺激の特定の特徴に依存しなかった。, さらに、サンプルおよび試験刺激が異なる場所に現れた場合、同じ場所に現れた場合と比較して、欠損ははるかに顕著であった。 したがって、PFC病変は、試験時にサルの注意を急速にシフトさせる能力を混乱させるように見えた。 今回、Pasternakたちは、これらの結果を、pfcが刺激に関与し、他の領域に保存されている動き情報にアクセスする際に役割を果たすという証拠と解釈した。,

感覚皮質はワーキングメモリに重要な役割を果たします

PFCがワーキングメモリに情報を格納する責任がない場合、このプロセスの原因となる脳領域を特定することが重要です。 感覚皮質が重要な役割を果たすという電気生理学的および機能的イメージング研究からの強い証拠がある（Pasternak and Greenlee、2005）。 多数の電気生理学研究が、視覚を含むほとんどの感覚皮質における単一のニューロン活性を調べてきた（Miller et al.,1993;Motter,1994),auditory(Gottlieb et al.,、1989）、さらには味覚皮質（Lara et al., 2009). 例えば、ワーキングメモリ関連の活動は、サルが刺激の色または輝度を覚えていなければならなかったタスクでエリアV4で報告されている（Motter、1994）。 多くの機能イメージング研究では、感覚皮質におけるワーキングメモリ活性も報告されている。 例えば、参加者が格子の向きを覚えていなければならなかった研究では（Ester et al.,2009;Harrison and Tong,2009;Serences et al.,2009;Emrich et al.,,2013)、方位特theな活性化パターンは、初期の視覚領域V1–V4のプールされた活動において観察された。

pfcがこの情報に参加または選択する役割を果たしている間に、後部感覚領域が情報をワーキングメモリに保持する責任がある場合、PFCと後部感覚領域が相互作用できるメカニズムが存在しなければならない。 この仮定は、PFCがほぼすべての感覚皮質と相互に関連していることが知られているので、異様ではない（Pandya and Barnes、1987）。 相互作用の性質は何ですか？, 一つの可能性は、ＰＦＣおよび後部領域が、両方の領域に存在する進行中の振動活動の長距離結合を通じて情報を共有することである（Ｅｎｇｅｌ ｅｔ ａｌ．,2001;フライドポテト,2009;Canolty and Knight,2010). 実際、サルとヒトの両方で、作業記憶タスク中の振動活動の重要な役割を明らかにした大きな仕事があります（Vogel and Machizawa、2004;McCollough et al.,2007;Ikkai et al.,2010;Johnson et al.,2011;Myers et al., 2014)., 例えば、サルでは、遅延サッカードタスクの実行中に、側方頭頂内皮質において局所電位（ＬＦＰ）における強い振動活性が見られている（Ｐｅｓａｒａｎ ｅｔ ａｌ．,2002)、およびサンプルタスクに遅延一致を行うサルのV4において(Tallon-Baudry et al.,2004;Lee et al., 2005). また、遅延期間中のＰＦＣのＬＦＰにおける強い振動活性の報告があった（Ｓｉｅｇｅｌ ｅｔ ａｌ．,2009;Lara and Wallis,2014)のサンプルタスクへの遅延マッチ。,

ヒトでは、脳波（EEG）、電気皮質造影（ECoG）および磁気脳造影（MEG）を用いた広範な研究により、前頭領域および後部領域の両方における作業記憶タスク中の継続的な振動活性の増加が明らかになった（レビューについては、RouxおよびUhlhaas、2014を参照）。 最近の研究では、参加者は、三つの青いディスクまたは六つの赤いディスクを無視しながら、三つの赤いディスク、三つの赤いディスクのいずれかの空間, 2012). すべての条件において、αおよびγ周波数帯域における振動ＭＥＧ活性が増加した。, PFCでは、ガンマバンドの活動（局所処理を反映すると考えられている;von Stein and Sarnthein,2000）は、ワーキングメモリ内のタスク関連情報の量を予測した。 ＰＦＣからのガンマバンド活性を用いた線形分類器は，三つのターゲットと三つのディスカウンタを持つ試験を，六つのディスカウント試験としてではなく三つのディスカウント したがって、分類器はタスク無関係なディスクを正しく無視した。, 対照的に、下頭頂小葉におけるガンマバンド活性はまた、遅延期間中に空間情報を反映したが、分類器は、三つの項目試験としてディストラクタ試験を識別することができませんでした。 したがって、PFCおよび頭頂皮質の両方におけるガンマバンド活動は、現在記憶にある刺激を反映しているが、PFCでのみ、タスク関連またはタスク無関係のいずれかとして区別される情報であるように見える。, 同様の結果は、腹側頭頂内皮質の集団活動が、ディストラクターに直面していても遅延一致からnumerosityタスクにおける標的刺激の数を堅牢にコードしているサルで見られた（Jacob and Nieder、2014）。 これに対して、PFC母集団は一時的にディストラクタを符号化したが、ターゲット数情報はすぐに復元され、復元された情報の強さは試験で正しい性能を予測した。 ここでも、これは、PFCが単に情報の保存に関与しているのではなく、監視や選択などの制御プロセスを反映していることを示唆しています。,

Pfcと感覚皮質との相互作用

PFCと後部感覚皮質との相互作用の性質を完全に理解するためには、両方の領域で同時に神経活動を測定す 最近の多くの研究では、作業メモリタスクの実行中にこれを行うことができました。 最近の研究では、視覚ワーキングメモリタスクを実行するサルにおける同時LFPおよび単一ニューロン記録を用いてV4と側方PFCとの相互作用を調べた（Liebe et al., 2012)., この研究では、V4とPFCのシータ振動間の同期量を定量化する尺度であるシータバンド位相ロック値が遅延期間中に有意に増強されたことがわかった。 PFC振動の位相はV4を約15ms導き、観測された結合は非対称であり、二つの領域間の機能的相互作用をサポートするのに十分に速いことを示唆してい, 実際、各エリアからのスパイクのタイミングを見ると、遅延中に、スパイク時間がより遠いエリアで進行中のデルタバンド振動の位相に確実にロックされていることがわかりました（すなわち、PFCスパイクはV4デルタバンドLFPに位相ロックされ、その逆もあります）。 重要なことに、これらの効果は、サルが作業記憶の情報を正常に維持した試験ではより強く、サルが刺激を覚えていなかった試験ではより弱かった。, これらの結果は、PFCとV4における同期活動が、ワーキングメモリのメンテナンス中にこれら二つの遠い領域間で情報が共有されるメカニズムを提供PFCと後頭頂皮質との間で同様の情報の流れが最近観察された（Salazar et al., 2012). この研究では、研究者らは、PFCおよび後頭頂皮質からのスパイクおよびLFPの同時記録を行い、サルはサンプルタスクに空間的遅延一致を行った。, 彼らは、記憶された刺激に関する相互情報がPFCと頭頂電極の間にどれだけあるかを測定するように設計されたコヒーレンス選択性指数を計算した。 試料同一性と位置に関する相互情報の増加が遅延期間中に観察された。 さらに、Weiner-Granger Causalityは、情報の流れが主に頭頂皮質からPFCへであることを示し、これらの結果は、情報の記憶が感覚皮質で起こっており、PFCは振動電界電位の同期を通じてその情報にアクセスできるという考えと一致している。, 同様の現象が最近の研究で報告されており、研究者は側方PFCおよび低レベルの視覚領域MTおよびMSTからの神経活動を同時に記録し、サルはサンプルタスクに遅延マッチを行った(Mendoza-Halliday et al., 2014). 遅延期間中，ＭＳＴおよび側方ＰＦＣでは選択的スパイキング活性の増加が見られたが，ＭＴでは見られなかった。 この持続的なスパイキングは、おそらく両方の脳領域におけるワーキングメモリにおける刺激情報の維持を反映する可能性がある。, しかし、別の可能性は、MSTがワーキングメモリ内の刺激の強い表現を維持し、pfcによって読み出され、他の高次信号と統合されることである。 しかし，遅延期間中にＭＴにおけるスパイキング活性の増加はなかったにもかかわらず，この領域からのＬＦＰ振幅に刺激情報が存在した。, また、MTとpfcと初期の感覚ニューロンの間のトップダウンの相互作用と一致する側方PFCスパイクの低周波LFP振動の間に増加した同期があった。

振動電界ポテンシャルの長距離synchronizationは、おそらく全体の話ではありません。 また、PFCと後部感覚ニューロンとの間の皮質-皮質シナプス接続を介したより直接的な相互作用の可能性もある（Petrides and Pandya、1984）。 最近の研究では、Crowe et al., (2013)は、サルが分類作業に従事している間に、単一のニューロン活動を同時にPFCと後頭頂皮質ニューロンを形成する記録した。 ＰＦＣおよび頭頂ニューロンの両方が、この種の分類タスクにおいて重要な役割を果たすことが示されている（Freedman et al.,2001;Miller et al.,2002;Wallis and Miller,2003;Freedman and Assad,2006;Ferrera et al.,2009;スワミナサンとフリードマン,2012). 彼らは、PFCにおける発火のパターンが、異なるタイムラグにおける後頭頂皮質における発火のパターンと強く相関していることを見出した。, 重要なことに、一度のPFC活性のパターンと後のPPC活性との間には、反対方向に比べて有意に強い相関があった。 これらの結果は、必ずしも進行中の振動活動の同期を伴わないメカニズムを介して前頭前野から頭頂ニューロンへの情報の選択的なトップダウン伝達 これらの結果は分類タスクで見つかったが、同様の現象が作業記憶中に遊んでいる可能性がある。, さらに、相互作用の正確な方向は、実行されている正確な認知プロセスに依存し得る。 例えば、感覚情報にアクセスすることは、頭頂皮質からPFC（”ボトムアップ”）に流れる情報を伴うことがあり、選択的注意およびフィルタリングは、逆方向（”トップダウン”）に流れる情報を伴うことがある。 感覚運動処理の最近の研究では、前頭-頭頂ネットワーク内のそのような双方向相互作用が示されている（Siegel et al., 2015).

このレビューで概説されている見解に対する潜在的な課題の一つは、Ester et al. (2015)., 彼らは、ワーキングメモリ内の配向格子の非常に正確な表現を維持するために被験者を必要とし、方向情報がローカライズされた前頭頭頂小領域におけるBOLD信号からデコードできることを示した。 しかし、これらの結果を解釈する上で重要な注意点は、ニューロンがその情報を表していない場合でも情報を解読できるということです。 例えば、個々のニューロンが方位情報を表していないにもかかわらず、方位情報は、原則として網膜から復号され得る。, 同様の方法では、個々のPFCニューロンは、その発火率でこの情報のために調整されていないにもかかわらず、後部感覚皮質における正しい表現を活性化するための責任PFCニューロンの活動のパターンから方向情報をデコードすることができる可能性があります。 一方、正確な感覚表現を担当するPFCニューロンが小さなサブ領域にローカライズされている場合、これらの表現は、単一ユニットの神経生理学研究で使用, この可能性は、Ｅｃｏｇおよび単一単位法を組み合わせるなど、複数のスケールで神経活動を記録することによって排除できる（Ｌｅｗｉｓ ｅｔ ａｌ．, 2015).

結論

近年、PFCがタスク関連情報をワーキングメモリに格納するという広く主張されている見解に挑戦している作業の着実な流れがありま, この見解に対する初期の証拠は、主にヒトにおけるfMRI研究から来ており、感覚情報は感覚環境に存在するときにその情報を表す同じ感覚ニューロンによって作業記憶に維持されるという別の見解で最高潮に達した。, PFCの役割は、ワーキングメモリに情報を格納するのではなく、関連する感覚表現に積極的に注意を集中させ、情報を選択し、情報の認知処理を制御するために必要な実行機能を実行することである（Postle、2006）。 この見解を支持する神経生理学的および病変の証拠が増えている。

作業記憶中のpfcと感覚領域との間の相互作用の正確な性質に光を当てるためには、より多くの作業が必要である。 現代の大規模記録方法の使用（Ｋｉｐｋｅ ｅｔ ａｌ．,,2008)および分析技術(Cunningham and Yu,2014)は、作業記憶タスク中に感覚領域からPFCへの情報の流れを追跡し、再び戻すことを可能にする可能性を秘めています。 しかし、同様に重要なのは、このデータの解釈を可能にする理論的枠組みを定めることです。 一つの有望なアイデアは、試してみて、神経活動が外部要因のための任意のコーディングを超えて、脳の内部状態に関連しているかを理解することです。, このアプローチは、運動制御の基礎となる神経メカニズムを理解するために最近採用されている動的システムの枠組みの基礎を形成する（Shenoy et al., 2013). ワーキングメモリや注意のようなエグゼクティブプロセスは、その性質上、内部の動的プロセスであることを考えると、彼らの研究で動的システムアプローチを使用することは、脳が内部で（すなわち、外部の入力に依存することなく）どのように実行能力のような複雑なレパートリーに必要とされる活動のパターンを生成するかに光を当てる可能性があります。,

資金調達

この作業は、NIMH grant R01-MH097990およびNIDA grant R01-DA19028によってJDWにサポートされました。

利益相反声明

著者らは、この研究が潜在的な利益相反と解釈され得る商業的または財務的関係がない場合に行われたと宣言している。