睡眠不足は静かに記憶力を破壊しており、睡眠を補っても回復できない

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修辞学者で教師のクインティリアヌスは、ローマ時代からすでに睡眠と記憶の密接な関係に気づいていました。「一晩の間隔が記憶力を大幅に高めるというのは、その原因は明らかではないが、奇妙な事実である。通常、物忘れを引き起こすと考えられているこの期間は、実際には記憶力を強化する。」

眠っている動物の脳の活動を聞いたことがある人なら、その瞬間の衝撃を決して忘れないでしょう。スピーカーで増幅された後、研究者はしばしば激しく速い「バン」という音を聞きます。これを「銃声の連射」や「花火の爆発」に例える人もいれば、どこかで爆発が起きたと考える人もいる。

実際、研究者たちが聞いたのは脳内の電気信号、つまり脳波でした。 20 世紀、より高度な画像処理やデータ分析技術が登場する前は、研究者は処理された電気信号を音声信号に変換し、音を利用して動物の脳活動をリアルタイムで監視していました。

このモニタリングの多くはラットで行われます。目覚めている間、ネズミの脳は新しい環境を探索するときに一定のリズミカルな振動を発します。そして、ネズミが眠りに落ちると、スピーカーからの爆音で、装置のこちら側にいる眠そうな人間の研究者が目を覚ますことがよくありました。

研究者の耳はもはやこの拷問に耐える必要はありませんが、そのような音は実際には睡眠中の脳の活動を直接反映しています。このタイプの脳波は「鋭波リップル」と呼ばれます。それは、脳の海馬から放出される強力な高周波（多くの場合 100 ～ 250 Hz）の脳波のバーストです。

さまざまな長さの鋭い波紋 (画像提供: Matthew A. Wilson & Bruce L. Mcnaughton., 1994)

鋭い波紋

現在の研究では、鋭い波紋は 2 つの状況で現れることがわかっています。1 つは、人間または動物が起きているがリラックスして活動していない状態、特にタスクを完了した後に静かに休んでいるときで、これは脳がタスクに関連する記憶を見直して処理していることを示しています。もう 1 つは、非急速眼球運動睡眠(NERM) の第 3 段階です。この段階では、この脳波が記憶を短期記憶 (海馬) から長期記憶(大脳皮質) に移す役割を果たします。

もっと具体的に言うと、鋭い波紋は脳の海馬にあるニューロン群の同期放電であり、それに続いて2番目のニューロン群、3番目、4番目と同期放電が続きます。このような信号が水の波のように広がり、日中に海馬で獲得した記憶を大脳新皮質に伝え、長期記憶として定着させます。

典型的なラットの実験により、睡眠中に記憶がどのように形成されるかを直感的に理解することができます。研究者はラットを迷路に入れ、特定の場所に報酬として食べ物を置きました。ネズミが迷路を進むと、まるで脳内に地図を形成しているかのように、海馬のさまざまなニューロンが順番に発火する様子が観察されました。ラットが眠りに落ちた後、研究者たちはラットの徐波睡眠段階（NERMの一部）中に、脳内のこれらのニューロンが同じ順序で、しかしその速度は1日中の10～20倍で繰り返し発火していることを発見し、まるでその日の経験が脳内で加速された速度で再生されているかのようだった。これらの「倍速再生」ニューロン活動は鋭い波紋を構成します。

画像出典: Global Science、2024年4月号

その後、記憶形成における鋭い波紋の重要性を実証する研究がますます増えています。研究者が鋭い波紋の形成を妨害すると、ネズミは以前の選択を思い出すのに著しく困難を覚えた。睡眠中の鋭い波紋の持続時間を人工的に延長すると、同じ記憶課題におけるラットのパフォーマンスが大幅に向上します。

「これまでの鋭波リプルに関する研究は、睡眠中の鋭波リプルの重要性を十分に実証しているので、睡眠不足が鋭波リプルにどう影響するかについて当然興味がある」とミシガン大学神経回路・記憶研究所の研究者であるカムラン・ディバ氏は述べた。

最近、ディバ氏とその協力者らがネイチャー誌に発表した研究によると、睡眠不足は鋭い波紋の質を低下させ、それによって脳内での記憶の「再生」のプロセスを妨げることが示された。さらに重要なのは、睡眠を補ってもこの損失を回復することは難しいということです。

カムラン・ディバ (写真提供: カムラン・ディバ)

記憶の「ウィンドウ期間」

この実験は依然として迷路内でのネズミの活動を中心に展開されます。ディバ氏と彼の同僚は数週間にわたって、7匹のネズミの迷路探索と海馬の活動を記録しました。迷路を歩き通した後、ネズミの中には最大9時間の自然な睡眠をとることができたものもいた。

また、他の邪悪な研究者と同様に、研究チームは他のネズミの睡眠を「軽く」妨害し、睡眠時間を5時間短縮して、脳内の鋭い波紋の変化を監視した。

「驚いたことに、鋭い波紋の頻度は深い睡眠時よりも睡眠不足時の方が高かった」とディバ氏は語った。繰り返し起こされたマウスは、普通に眠ったマウスと同等か、あるいはそれ以上に頻繁に鋭い波紋を起こした。しかし、これは記憶力が強くなったことを意味するものではありません。

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実際、研究チームは、睡眠不足のラットでは神経細胞の発火の強度が弱まり、鋭い波紋が弱まり、より無秩序になることを発見した。最も重要なのは、これらのラットのニューロンが昼間の活性化パターンをあまり頻繁に繰り返さなかったことです。つまり、睡眠不足は鋭い波紋の質に影響を及ぼし、その質こそが海馬に蓄えられた短期記憶を長期記憶に変える鍵となるのです。

研究者らはまた、睡眠不足の後に睡眠を補っても記憶力の低下を補うことはできないことも発見した。研究者らが睡眠不足のグループを2日間通常の睡眠に戻した後、鋭波のさざ波の質が回復したことを観察したが、通常の睡眠を維持していたラットの質に到達することは困難だった。

睡眠不足により記憶形成の「ウィンドウ期間」を逃した後、睡眠でそれを補っても、この期間中の記憶喪失を回復することはできないし、短期記憶を長期記憶に変換する能力をすぐに回復することはできないようです。「タンパク質シグナル伝達や遺伝子転写など、脳の健康と機能の指標のほとんどは十分な睡眠後に正常レベルに戻るが、睡眠不足によって損なわれた記憶は一般的に回復しないため、これは注目に値する」と研究者らは論文に記している。

複雑な影響

鋭い波紋に対する理解が深まるにつれ、科学者たちはそれが記憶形成のプロセスにおいて非常に複雑な役割を果たしていることに徐々に気づき始めています。 3月にサイエンス誌に掲載された研究では、ラットが課題を遂行した後や出来事に遭遇した後と睡眠中の鋭い波紋の頻度を比較した。覚醒中に頻繁に発生する鋭い波紋は、睡眠中にもより頻繁に再生されることが判明しました。これは、鋭い波紋がラベルのような役割を果たし、日中の経験をふるいにかけ、どれが長期記憶バンクに残るかを決定することを示唆しています。

「この発見は私たちの結論と一致しており、5月にネイチャー誌に発表した別の研究とも一致している」とディバ氏は語った。この研究で、研究チームは、鋭い波紋がその日の情報を再現するだけでなく、翌日の活動を「予測」することも発見した。「したがって、睡眠不足は将来の経験に最適に反応する脳の能力を損なう可能性もある」とディバ氏は述べた。

最後に、研究者たちは記憶に関するヒントをいくつか提供しています。

Q: では、試験前に夜更かしして勉強するのはまだ役に立つのでしょうか?

A: 直前に詰め込んで、復習した後に少し眠るのも効果があるかもしれません。しかし、脆弱だったのは、その日の早い時間に得られた情報だった。（睡眠圧が悪化するにつれて）脳がこの情報を緩衝し、眠りにつくまで保持する能力はますます制限されていきます。

参考文献

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07538-2

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07397-x

[3]https://www.nature.com/articles/d41586-024-01732-y

[4]https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk8261

[5]https://www.nature.com/articles/nn.2384

[6]https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(02)01096-6

[7]https://www.science.org/doi/10.1126/science.8036517

[8]https://www.quantamagazine.org/in-brains-electrical-ripples-markers-for-memories-appear-20190806/