1956 年、有名な認知心理学者のジョージ ミラーは、この分野で最も広く引用されている論文の 1 つである「魔法の数 7、プラスまたはマイナス 2」を発表しました。その中で彼は、脳は何兆ものつながりの中に生涯にわたる知識を蓄えることができるが、人間が一度に積極的に意識的に保持できる項目の数は、平均して 7 つに制限されていると主張した.
これらのアイテムは、一連の数字、部屋の周りに散らばった少数のオブジェクト、リスト内の単語、または重複する音である可能性があります。それらが何であれ、Miller は書いた、それらのうちの 7 つだけが作業記憶と呼ばれるものに収まり、集中した注意やその他の認知プロセスに利用できる.それらの作業記憶への保持は短命で制限があります。アクティブに考えられなくなると、別の場所に保存されるか、忘れられます。
ミラーの時代以来、神経科学者と心理学者は作業記憶とその驚くほど厳しい限界について研究を続けてきました。彼らは、制限が実際には 7 つよりも 4 つまたは 5 つのアイテムに近い可能性があることを発見しました。そして、人々がこの制約を回避する方法を研究してきました。数字を「チャンク」することで電話番号のすべての数字を覚えることができます (たとえば、1 を覚えてから 4 を単一の項目 14 として覚える)、またはニーモニック デバイスを開発することができます。長期ストレージから pi の乱数をシャッフルするため。
しかし、なぜ作業記憶がこのように低いしきい値で低下し始めるのかについての説明は、とらえどころのないものでした.科学者は、その限界を超えようとすると情報が劣化することを確認できます。神経細胞の表現が「薄く」なり、脳のリズムが変化し、記憶が崩壊します。これは、統合失調症などの神経障害と診断された患者のさらに少数の項目で発生するようです.
しかし、これらの失敗を引き起こすメカニズムは、最近まで不明のままでした.
大脳皮質に掲載された論文で 3 月には、3 人の科学者が、脳のさまざまな部分間の「フィードバック」信号の大幅な弱体化が故障の原因であることを発見しました。この研究は、記憶機能と機能不全への洞察を提供するだけでなく、脳が情報を処理する方法について急成長している理論のさらなる証拠も提供します.
脳内の同期ハミング
マサチューセッツ工科大学のピコワー学習記憶研究所の神経科学者であるアール・ミラー。ディミトリス・ピノシス、彼の研究室の研究アフィリエイト。そして、プリンストン大学の助教授であるティモシー・ブッシュマンは、何がワーキングメモリの容量限界をそれほど低く設定しているのかを知りたがっていました.
彼らは、前頭前皮質、前頭眼野、外側頭頂間野の 3 つの脳領域を含むネットワークが作業記憶で活動していることをすでに知っていました。しかし、作業記憶の限界を超えると、覚えていることと覚えていないことの間の急激な移行に対応する神経活動の変化はまだ観察されていませんでした.
そこで彼らは、ミラーの研究室が数年前に行った作業記憶テストに戻りました。そこでは、研究者はサルに一連の画面を見せました。まず、色付きの四角形のセット、続いて短時間の空白の画面、そして最初の画面を 1 回表示します。さらに、今回は1マスの色を変えました。動物は、画面の違いを検出する必要がありました。正方形の数が作業記憶容量を下回ることもあれば、上回ることもありました。サルの脳の奥深くに配置された電極は、ニューロンのさまざまな集団が各タスクを完了するときに発生する脳波のタイミングと周波数を記録しました。
これらの波は、基本的に、アクティブになると同時に静かになる何百万ものニューロンの調整されたリズムです。脳の領域が時間と周波数の両方で一致する振動を示す場合、それらは同期していると言われます。 「彼らは一緒にハミングしているようです」とミラーは言いました。 「そして一緒にハミングするニューロンは話しているのです。」彼はそれを交通システムに例えています。脳の物理的な接続は道路や高速道路のように機能しますが、これらの振動する脳波が一緒に「ハミング」することによって作成される共鳴のパターンは、実際に交通の流れを導く信号機です。研究者の仮説では、このセットアップは、アクティブなネットワークを経験のよりしっかりとした表現に「バインド」するのに何らかの形で役立つようです.
最近の研究では、ミラーと彼の同僚は、サルから収集した振動データをマイニングして、この 3 つの部分からなる記憶ネットワークがどのように機能するかについての情報を得ました。彼らは、以前の研究に基づいて、ネットワークの構造と活動に関する仮定を組み込んだ詳細な機構モデルを構築しました。たとえば、特定の神経集団の位置と行動 (興奮性または抑制性)、または特定の振動の頻度です。次に、研究者たちは、サルがますます多くの項目を記憶する必要があるため、さまざまな脳領域がどのように互いに「話している」かについて、その対話の方向と強さを含む、いくつかの競合する仮説を生成しました。彼らは、これらの計算を実験データと比較して、どのシナリオが最も可能性が高いかを判断しました。
彼らのモデリングは、脳の 3 つの領域が複雑なキャッチゲームに従事するジャグラーのように機能することを確認しました。前頭前皮質は、世界の内部モデルを構築するのに役立つようであり、いわゆる「トップダウン」またはフィードバック信号を送信して、このモデルを低レベルの脳領域に伝えます。一方、表面的な前頭眼野と外側の頭頂内領域は、ボトムアップ信号またはフィードフォワード信号の形で、前頭前皮質のより深い領域に生の感覚入力を送信します。トップダウン モデルとボトムアップの感覚情報の違いにより、脳は自分が経験していることを理解し、それに応じて内部モデルを微調整することができます。
ミラーと彼の同僚は、覚えておくべき項目の数がサルの作業記憶の容量を超えると、前頭前皮質から他の 2 つの領域へのトップダウン フィードバック接続が壊れることを発見しました。一方、フィードフォワード接続は問題なく維持されました。
グループのモデルによると、フィードバック信号の弱体化により、脳領域間の同期が失われました。前頭前皮質からの予測指向のコミュニケーションがなければ、作業記憶ネットワークは同期しなくなりました。
モデルの更新
しかし、なぜトップダウンのフィードバックは、覚えておくべき項目の数の増加に対してそれほど脆弱なのでしょうか?研究者の仮説は、前頭前皮質から来るモデル化された情報は、基本的に、脳が世界で何を認識するかについての一連の予測を表しているというものです。この場合、作業記憶に保持されている項目の内容です。ユニバーシティ カレッジ ロンドンの神経科学者で、この研究には関与していない Karl Friston 氏は、電子メールで次のように述べています。 「現在の文について表現または期待を持っているということは、過去と未来を暗黙のうちに表現していることを意味します。」
多くの神経科学者は、脳が日常的な認知機能と命令機能を実行するために、感覚データのこのような「予測コーディング」に大きく依存していると考えています。しかし Miller と彼の同僚は、ワーキング メモリに配置された項目の量が大きくなりすぎると、それらの項目の可能な予測の数をフィードバック信号に簡単にエンコードできないという理論を立てています。その結果、フィードバックが失敗し、過負荷になった作業記憶システムが崩壊します。
Miller の研究室などは、科学者の作業記憶のモデルにおける脳波間の相互作用のより重要な役割を切り開くために取り組んでいます。作業記憶は、伝統的に個々のニューロンの発火活動に重点を置いています。彼らは現在、なぜ作業記憶の上限が他の数ではなく 4 ～ 5 項目あたりで推移しているのかを調査しています。 Miller は、脳が作業記憶に保持されている項目を 1 つずつ交互にジャグリングしていると考えています。 「つまり、すべての情報が 1 つの脳波に収まらなければならないということです」と彼は言いました。 「その 1 つの脳波の容量を超えると、作業記憶の限界に達しています。」
フランス国立科学研究センターの研究者であるルフィン・ヴァンルレン氏は、チームのモデル化と結論が「強力」であると考えており、さらなる実験的確認が待たれている. 「私たちは実際に脳の内部に入り、これらのつながりの直接的な証拠を見つける必要があります.」
潜在的な見返りは高いです。作業記憶の予測コーディング モデルを確立することは、脳がどのように機能し、神経疾患で何がうまくいかないかをよりよく理解できるようにするだけではありません。フリストンによれば、それはまた、私たちが「知性」を意味するもの、さらには自尊心についても重要な意味を持っています.手始めに、脳のフィードバック接続が何をしているかをよりよく把握することは、現在、フィードフォワード信号と分類アルゴリズムに重点を置いている人工知能研究の大きな一歩につながる可能性があります。 「しかし、システムは、何を見ているかではなく、何を記憶しているかに基づいて決定を下す必要がある場合があります」と Pinotsis 氏は述べています。
