長期増強 (LTP) と長期抑圧 (LTD)：シナプスの変化が記憶を刻むメカニズム
はじめに：記憶の物理的な基盤、シナプスの可塑性
脳は驚くべき能力を持つ情報処理システムであり、その中でも「記憶」は過去の経験を蓄積し、未来の行動を規定する中核的な機能です。複雑な思考や意識の基盤となる記憶は、一体どのように脳内に物理的に刻まれるのでしょうか。その答えを探る鍵は、脳を構成する最小単位である神経細胞（ニューロン）間の接点、「シナプス」の機能変化にあります。
神経科学では、このシナプスの結合強度や効率が経験や学習によって変化する性質を「シナプス可塑性（synaptic plasticity）」と呼び、これが記憶の最も基本的な物理的基盤であると考えられています。シナプス可塑性には様々な形態がありますが、中でも特に長期的な記憶形成に関与するとされているのが、「長期増強（LTP: Long-Term Potentiation）」と「長期抑圧（LTD: Long-Term Depression）」という二つの現象です。
この記事では、脳がどのようにしてLTPとLTDを通してシナプスを変化させ、情報を記憶として定着させたり、あるいは不要な情報を整理したりするのか、その詳細な神経科学的メカニズムを深掘りして解説いたします。
長期増強（LTP）：シナプス結合の強化が記憶を定着させる
長期増強（LTP）は、特定のシナプスが繰り返し活動したり、あるいは特定のパターンで活動したりすることで、そのシナプスの情報伝達効率が持続的に向上する現象です。これは、神経科学者ティモシー・ブレイスとペル・アンデルセンが1973年にウサギの海馬で最初に観察した現象であり、その後の研究により、多くの脳領域で確認され、学習や記憶の細胞レベルでの基盤として広く認識されるようになりました。
LTPが発生するためには、多くの場合、前シナプスからの神経伝達物質（特にグルタミン酸）放出と、後シナプスにおける活動（脱分極）が同時に起こることが重要であると考えられています。このような活動の同時性は、カナダの心理学者ドナルド・ヘッブが提唱した「ヘッブの法則（Hebbian principle）」、すなわち「共に発火するニューロンは共に結合する（Neurons that fire together, wire together）」という原則を分子・細胞レベルで体現していると言えます。
LTPのメカニズムは複雑ですが、特にグルタミン酸作動性シナプスにおけるNMDAR（NMDA型グルタミン酸受容体）とAMPAR（AMPA型グルタミン酸受容体）の役割が重要です。通常、静止膜電位に近い状態では、NMDARのチャネルはマグネシウムイオンによってブロックされています。しかし、後シナプスが十分に脱分極すると、このマグネシウムブロックが外れ、前シナプスからグルタミン酸が放出されるタイミングでNMDARが開口し、カルシウムイオン（Ca2+）が後シナプス内へ流入します。
このCa2+流入が、後シナプス内で様々なシグナル伝達経路を活性化します。例えば、Ca2+/カルモジュリン依存性プロテインキナーゼII（CaMKII）やプロテインキナーゼC（PKC）といった酵素が活性化され、これがAMPARをリン酸化したり、新たなAMPARが細胞膜上に挿入されたりすることを促進します。AMPARは神経伝達物質であるグルタミン酸に応答してイオンチャネルを開き、後シナプスを脱分極させる役割を担います。AMPARの数が増加したり、機能が向上したりすることで、同じ量のグルタミン酸が放出されても、後シナプスの応答はより大きくなり、シナプスの伝達効率が持続的に増強されるのです。
このシナプス強度の増強は、数時間から数日、場合によってはそれ以上にわたって維持されることがあり、これが新しい情報の符号化や短期記憶から長期記憶への固定化に寄与すると考えられています。
長期抑圧（LTD）：シナプス結合の弱化が情報の整理や忘却に関わる
長期抑圧（LTD）は、LTPとは対照的に、特定のシナプスの情報伝達効率が持続的に低下する現象です。LTPと同様に経験依存的であり、脳が不要な情報や関連性の低い情報の記憶を弱めたり、既存の記憶を修正したりする際に重要な役割を果たすと考えられています。LTDは、LTP発見から数年後に小脳プルキンエ細胞で最初に報告され、その後、海馬や大脳皮質など、LTPが観察される多くの脳領域で確認されています。
LTDの発生条件はLTPとは異なります。多くの場合、比較的低い頻度でのシナプス活動や、前シナプス活動と後シナプス活動が特定の順序（例：後シナプス活動の後に前シナプス活動）で生起することがLTDを誘導する条件となります。
LTDのメカニズムも多様ですが、シナプスへのCa2+流入が重要な引き金となる点はLTPと共通しています。ただし、LTDを誘導するCa2+流入は、LTPを誘導する場合と比較して、より小規模で持続的なパターンであることが多いとされています。このCa2+流入パターンが、LTPで活性化されるプロテインキナーゼとは異なる、プロテインフォスファターゼ（タンパク質からリン酸基を取り除く酵素）を主に活性化します。例えば、プロテインフォスファターゼ1（PP1）やカルシニューリンなどがLTDに関与します。
これらのフォスファターゼは、AMPARを脱リン酸化したり、後シナプス膜からAMPARを取り除いて細胞内に回収したりすることを促進します。結果として、後シナプス膜上のAMPARの数が減少したり、その機能が低下したりすることで、シナプスの情報伝達効率が持続的に抑制されるのです。
LTDは、学習における「忘却」や、新しい情報を学習する際に古い、関連性の低い情報を抑制するといった、能動的な情報の整理プロセスに寄与していると考えられています。また、運動学習や認知柔軟性にもLTDが関与していることが示唆されています。
LTPとLTDの協調的な働き
記憶システムは、単に情報を蓄積するだけでなく、必要に応じて情報を更新したり、整理したりする必要があります。LTPとLTDは、脳がこのダイナミックなプロセスを実行するための基本的なメカニズムとして協調的に機能しています。
新しい情報が効率的に符号化される際にはLTPが重要な役割を担い、関連性の低い情報の抑制や既存の記憶の微調整、あるいは積極的な忘却においてはLTDが機能すると考えられています。これらの可塑的な変化は、個々のシナプスのレベルで起こり、ニューロン間のネットワーク全体の結合パターンを変化させることで、記憶という複雑な機能を実現しているのです。
海馬のような記憶形成に中心的な役割を果たす脳領域では、異なる入力経路からの活動パターンに応じてLTPとLTDが使い分けられ、空間記憶やエピソード記憶の形成に寄与していることが多くの研究で示されています。例えば、場所細胞（特定の空間的位置で活動するニューロン）の活動が、新しい環境でのシナプス結合をLTPによって強化し、場所の記憶を形成する一方で、移動によって場所の関連性が失われたシナプス結合はLTDによって弱められるといった形で機能していると考えられます。
最新の研究動向と今後の展望
LTPとLTDに関する研究は、分子レベル、細胞レベル、そしてネットワークレベルで現在も活発に進められています。これらのメカニズムの詳細な解明は、アルツハイマー病や他の認知機能障害といった、記憶の障害を伴う疾患の病態理解や新しい治療法の開発に不可欠です。例えば、LTPやLTDの誘導に関わる特定の分子を標的とした薬剤開発などが検討されています。
また、脳のシナプス可塑性の原理は、人工知能、特にニューラルネットワークの研究開発にも大きな影響を与えています。ヘッブの学習則に代表されるように、脳の学習メカニズムからヒントを得たアルゴリズムが、現在の機械学習モデルの基盤となっています。今後、LTPやLTDのより複雑で動的なメカニズムが解明されれば、さらに効率的で人間のような柔軟な学習能力を持つ人工知能が実現する可能性も秘めています。
まとめ：記憶の最小単位におけるダイナミクス
長期増強（LTP）と長期抑圧（LTD）は、脳が学習し、記憶を形成・維持・整理するための細胞レベルでの基本的なメカニズムです。シナプスの結合強度を持続的に変化させるこの「シナプス可塑性」は、脳の神経回路が経験に基づいてダイナミックに再構成されるプロセスそのものと言えます。
LTPはシナプス結合を強化して情報の定着を促し、LTDは結合を弱めて情報の整理や修正に寄与します。これらの協調的な働きによって、私たちの脳は絶えず変化する環境に適応し、過去の情報を活用しながら未来を生きる能力を獲得しています。
LTPとLTDのメカニズムは非常に精緻であり、多くの分子が複雑に関与しています。これらの現象のさらなる詳細な理解は、記憶の謎を解き明かすだけでなく、記憶障害の克服やより高度な情報処理システムの開発にも繋がる重要な研究分野と言えるでしょう。脳がどのようにして記憶を物理的に「刻む」のか、その驚くべきしくみの一端を、LTPとLTDの理解を通して垣間見ることができたのではないでしょうか。