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とるべき行動が未確定のとき、脳では前頭前野と後頭側頭皮質が機能を補完-慶大ほか

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2021年09月21日 AM11:45

「顔」か「場所」か、キューに不確かさがあるとき脳で切り替えはどう導かれるのか?

慶應義塾大学は9月16日、適切な行動に不確かさがある状況で行動を切り替えるとき、ヒト脳の前頭前野と後頭側頭皮質が機能を補完することを発見したと発表した。この研究は、同大理工学部生命情報学科の津村夏帆大学院生(研究当時)と、同4年生の小杉啓太氏(研究当時)、地村弘二准教授と、高知工科大学の中原潔教授、竹田真己特任教授、生理学研究所の近添淳一准教授らとの共同研究グループによるもの。研究成果は、「Cerebral Cortex」に掲載されている。


画像はリリースより

行動の切り替えは、変化する環境に柔軟に適応する認知の機能であり、ヒトらしさを特徴づけている。「課題切り替え」は、行動の柔軟性を科学的に調べるための枠組みの1つで、切り替えには、左大脳半球の前頭前野が重要であることが知られている。これまでの課題切り替えの研究では、行動する状況が明確に知覚されることが前提になっていた。しかし、私たちの日常生活では、重要な情報が常に適切に知覚できるわけではない。知覚される情報の曖昧さを操作し、判別がどのように変化するかを調べる「知覚的意思決定」の研究では、視覚情報の様式(例えば、顔や場所)に依存して、後頭側頭皮質の分散した領域が知覚的意思決定に重要であることが知られている。

2021年1月、研究グループは「知覚的な不確かさがある状況で、課題切り替えは脳でどのように起こるのか」という問いに対し、前頭前野が補完的に情報を伝達することで達成されることを発見した。課題切り替えでは、階層的な構造をもつ課題のルールに基づいて課題が遂行される。この研究では、課題セットの層構造の下側で、判断する次元を定めるターゲットの不確かさを操作した。例えば、ターゲットは、顔の判別では男性または女性、場所の判別では屋内または屋外を定める。

研究グループは今回、階層構造の上側にあり、どのような課題をするのかを定める手がかり(キュー)に着目した。例えば、キューは顔または場所のどちらを判別するかを指定する。そして、「キューに不確かさがあるとき、脳で切り替えはどのように導かれるのか」という問いを立てて研究を行った。

行動を切り替える際、不確かさに応じて前頭前野・後頭側頭皮質の情報伝達様式が逆転

研究ではまず、動きの曖昧さを操作する視覚刺激を作成した。この刺激では、小さい点がいくつか提示され、それぞれの点は、上、下、またはランダムに動く。この動きのランダムさにより、知覚される不確かさが操作された。そして、画面の中心には、顔と場所の写真が重ね合わさった画像が提示された。

このとき、点全体の動きの方向がキューとなり、判別すべきターゲットが指定された。例えば、指示される点が上方向の場合は顔、下方向の場合は場所がターゲットとなり、顔の判別では、性別(男・女)、場所の判別では屋内外(屋内・屋外)を答えることが要求された。判別の基準が顔から場所、または場所から顔に変わるときを「切り替え」と呼ぶが、これらの課題を切り替えたときのヒト脳の活動を、機能的MRIで測定した。

切り替えが起こると、左の前頭前野の活動が大きくなった。そして、キューの不確かさが強くなると、この前頭前野の活動はさらに大きくなった。このとき、後頭側頭皮質にある、顔と場所の知覚に関わる領域は、キューの不確かさが大きいときに、前頭前野から「トップダウン信号」を受ける一方で、不確かさが小さい時には前頭前野へ「ボトムアップ信号」を伝達していることがわかった。

また研究では、新たな解析手法として、画像認識などで用いられている深層学習の一つである、畳み込みニューラルネットワークモデルを用いて、脳に含まれる情報をマップする技術を開発した。この技術を用いた解析により、後頭側頭領域の知覚に関連する情報量は、課題を切り替えるときに大きくなり、キューの不確かさが増えると減ることがわかった。以上の結果は、行動の柔軟性が、目的を達成するために必要な情報を環境から抽出する知覚的意思決定に依存していることを示している。そして、行動の柔軟性に関連している左前頭前野と、キューとターゲットの知覚に関わる後頭側頭皮質が相互に補完的な役割を果たすことによって、不確かな状況での切り替えが起こっていることを示唆している。

開発した手法を用いて、脳機能研究における新しい解析の枠組みを確立目指す

今回と前回の研究では、行動の柔軟性に焦点を当てた。しかし、ヒトには多様で精緻な認知の制御機構が備わっている。「今後は、認知の制御と知覚的意思決定が協調する洗練された機能にはどのような情報処理の様式があるのか知りたいと思っている。また、今回開発した深層学習による脳機能マッピングの手法を用いて、脳機能研究における新しい解析の枠組みを確立したいと思っている」と、研究グループは述べている。

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