私たち人間は常に、私たちが住む精神世界と物理世界の間の奇妙な、そして奇妙なほど深いつながりを経験してきました。特に記憶に関してはそうです。私たちはランドマークや設定を覚えるのが得意です。記憶に文脈の場所を与えると、それらに固執しやすくなります。長いスピーチを思い出すために、古代ギリシャとローマの雄弁家は思い出に満ちた「記憶の宮殿」をさまようことを想像しました。現代の記憶力コンテストのチャンピオンは、今でもこのテクニックを使用して、数字、名前、その他の情報の長いリストを「配置」しています。
哲学者のイマヌエル・カントが述べたように、空間の概念は、たとえ抽象的な方法であっても、私たちが世界を認識し解釈するための組織化の原則として機能します。英国の人工知能企業ディープマインドの神経科学者であるキム・スタッヘンフェルド氏は、「私たちの言語は、推論と一般的な記憶のための空間的な比喩に満ちています」と述べています。
過去数十年間の研究で、記憶とナビゲーションの少なくとも 2 つの機能について、これらの比喩が脳に物理的な基盤を持っている可能性があることが示されています。小さなタツノオトシゴの形をした構造である海馬は、これらの機能の両方に不可欠であり、同じコーディング方式 (グリッドベースの表現形式) がそれらの根底にある可能性を示唆する証拠が始まっています。最近の洞察により、一部の研究者は、この同じコーディング スキームが、視覚、音、抽象的な概念など、他の種類の情報をナビゲートするのに役立つと提案するようになりました。最も野心的な提案は、これらのグリッド コードが、脳が一般的な知識、知覚、および記憶のすべての詳細をどのように処理するかを理解するための鍵になる可能性があることをあえて主張しています.
記憶喪失と六角形
1953 年 9 月 1 日、後に「患者 H.M.」として世界に知られることになる 27 歳の男性、ヘンリー モレゾンは、衰弱性のてんかんの症例を治すための危険で実験的な試みに身を投じました。脳神経外科医が H.M. の脳の奥深くから海馬と周囲の組織を取り除き、彼の発作の一部を軽減しましたが、うっかりして永久的な記憶喪失を残してしまいました。半世紀以上後の彼の死まで、H.M.新しい記憶を暗号化できませんでした。朝食で食べたものでも、最新のニュースの見出しでも、ほんの数分前に紹介された見知らぬ人の身元でもありません.
H.M. の話は悲劇的ではありますが、脳が記憶を整理する方法において海馬が果たす役割についての科学者の理解に革命をもたらしました。
数年後、海馬を中心とした別の革命が起こり、その先駆者にノーベル賞が与えられました。それは、海馬領域の基本的な機能には記憶だけでなく、ナビゲーションと表現が含まれていることが明らかになった、数十年も離れた 2 種類の細胞の発見です。二次元空間。
これらの最初のものは、研究者が「場所細胞」を発見した1971年に発生しました。これは、本質的に現在の場所を示すために発火します。ユニバーシティ カレッジ ロンドンの神経科学者であるジョン オキーフと彼の同僚は、自由に歩き回るラットの脳活動を監視し、ケージの特定の部分にいるときだけニューロンの一部が発火することを観察しました。ネズミが囲いの北東の隅などでにおいをかぐと活発になったものもありましたが、それ以外は静かなままでした。他の人はケージの中心で発砲しました。つまり、細胞は場所の感覚 (「あなたはここにいる」) をコード化し、一緒になって空間全体の地図を作成しました。 (ラットを別のケージまたは部屋に入れると、これらの場所の細胞が「再マッピング」され、異なる局所位置がエンコードされます。)
これらの調査結果は、海馬が空間マップを超えて「認知マップ」を作成および保存している可能性があるという提案に影響を与えました (1940 年代に心理学者のエドワード トルマンが最初に提唱したアイデアで、ラットが迷路で報酬への新しいショートカットをどのように推測できるかを説明しました)。少なくとも、海馬はそのような地図のヒントを探し始める有望な場所のように見えました.
その研究は最終的に、ノルウェー科学技術大学の当時結婚していた 2 人の科学者、May-Britt Moser と Edvard Moser に、海馬のすぐ隣にある嗅内皮質に注意を向けさせることにつながりました。この領域は、海馬への主要な入力を提供します。また、ナビゲーションと記憶の両方に影響を与えるアルツハイマー病で悪化する脳の最初の領域の 1 つでもあります。そこで、研究者たちはグリッドセルと呼ばれるものを発見しました。これは現在、専門家が認知マップメーカーの最も説得力のある候補であると考えています.
場所セルとは異なり、グリッド セルは特定の場所を表していません。代わりに、位置に依存しない座標系を形成します。 (結果として、それらは一般に脳の GPS として知られています。) 各グリッド セルは、六角形のパターンを形成する等間隔の位置で発火します。あなたの寝室の床がすべて同じサイズの正六角形でタイル張りされており、各六角形が 6 つの正三角形に分割されていると想像してください。部屋を横切ると、それらの三角形のいずれかの頂点に到達するたびに、グリッド セルの 1 つが起動します。
グリッド セルの異なるセットは、異なるグリッドを形成します。より大きなまたはより小さな六角形のグリッド、他の方向に向けられたグリッド、互いにオフセットされたグリッド。一緒に、グリッド セルは環境内のすべての空間位置をマッピングし、特定の場所はグリッド セルの発火パターンの一意の組み合わせによって表されます。さまざまな グリッドが重なり合う 1 つのポイントが、体がどこにある必要があるかを脳に伝えます。
この種のグリッド ネットワークまたはコードは、場所セルよりも本質的な空間感覚を構築します。場所セルは、空間情報を提供するランドマークやその他の意味のある場所がある場所をナビゲートするための優れた手段を提供しますが、グリッド セルは、そのような外部の手がかりがない場合にナビゲートするための優れた手段を提供します。実際、研究者は、グリッド セルがパス インテグレーションとして知られているもの、つまり人が宇宙のどこにいるのかを追跡できるプロセスの原因であると考えています。たとえば、目隠しをしている
ライプツィヒのマックス プランク研究所とノルウェーのカブリ システム神経科学研究所に所属する認知神経科学者のジェイコブ ベルムンドは、次のように述べています。 「基本的に、この種のコードで距離を測定できます。」さらに、その仕組みにより、そのコーディング スキームは多くの情報を独自かつ効率的に表現できます。
それだけではありません。グリッド ネットワークは相対的な関係に基づいているため、少なくとも理論上は、大量の情報だけでなく、さまざまな種類の情報も表すことができます。ニューヨーク大学医学部の神経科学者 György Buzsáki は次のように述べています。おそらく、自然は、単語の意味の地図から将来の計画の地図まで、構造化された関係をグリッドセルを使用して脳が表現できるようにする、まさにそのような解決策にたどり着きました.
拡大するグリッドセルの役割
「私たちは、海馬と嗅内皮質の機構がより一般的な目的を持つ方法について考えてきました」と Stachenfeld 氏は述べています。 「一般的な構造を[グリッドセル]で表現し、それを新しい状況により迅速に適用できるというのは、非常に強力なアイデアです。」その結果、「より効率的に行動し、より速く学習する」ことができるようになります。
研究者は通常、被験者の個々のニューロンを直接測定することはできなかったため、方法論を賢くする必要がありました。たとえば、2010 年に神経科学者は、脳の機能的磁気共鳴画像法 (fMRI) スキャンで、格子細胞活動の間接的なサインとして特定の種類の信号を探すことを発見しました。この「六方向」信号は、仮想環境をナビゲートする被験者に現れます。結局のところ、それは他のタスク、空間的タスク、それほど重要ではないタスクも特徴付けます.
最も初期の例の 1 つは、この 2 つの中間に位置する動作でした。視覚空間のナビゲーションです。サルが頭を所定の位置に固定し、目だけで画像を追跡すると、研究者は嗅内皮質でグリッド細胞活動の証拠を発見しました。人間を対象とした最近の研究では、同じ 6 方向の特徴が明らかになりました。一部の実験では、物理的なナビゲーション タスクで既に観察されているグリッド コードの他のより直接的な特性を特定することさえできました。
同様の原理が、脳が時間をエンコードする方法を導く可能性もあります。海馬には、特定の状況で「時間細胞」ニューロンとしても機能する場所細胞が含まれていることが既にわかっています。ラットは迷路の中を走ります。迷路の 1 つのセクションでは、先に進む前に所定の秒数の間、車輪またはトレッドミルで速歩を行いました。ラットがその場で走っている間、実際の位置は一定に保たれ、細胞は海馬で発火して時間的進行を追跡しました。最初の数秒間アクティブなニューロンもあれば、次の数秒間アクティブなニューロンもありました。この発見により、「時間は別の次元として方程式にもたらされます」と Bellmund 氏は述べています。
最近では、Nature に掲載された作品 昨年の夏、記憶や経験の文脈で時間を一意に表すコーディング システムの証拠が明らかになりました。モーザー夫妻が率いる研究チームは、数秒から数時間までの複数のスケールにまたがる時間のコード体系を発見しました。時間的組織とグリッド セルの間に明確な関連性はまだ示されていませんが、科学者は関連性のヒントを見つけています。たとえば、グリッド セルは、トレッドミルで走っているラットの経過時間を知らせます。
昨年、プリンストン大学の科学者チームは、音という別の潜在的な側面をミックスに取り入れました。彼らは、レバーを押して発せられる音の周波数を、以前に聞いた音と一致するように変更するラットの脳活動を監視しました。彼らの観察は、ラットが望ましい音色を見つけるために、心の中で「音響空間」を精神的にナビゲートしている可能性があることを示唆していました. [編集者注:この作品は、この編集的に独立した雑誌にも資金を提供しているシモンズ財団から一部資金提供を受けています。]
おそらく最も興味深いのは、2016 年に実施された実験で、グリッド セルの動作にはるかに抽象的なコンテキストが導入されたことです。オックスフォード大学の計算神経科学者であるティモシー・ベーレンスが率いる研究者は、首の長さ、脚の長さ、またはその両方が伸びたり縮んだりして、スクリーン上の鳥のシルエットを人々に見てもらいました。彼らの fMRI データでは、脳のいくつかの領域で 6 方向の信号が発生しました。被験者が 2 次元の「鳥の空間」をナビゲートしているかのように変化し、1 つの軸は首の長さ、もう 1 つの脚の長さを示していました。
この発見は、脳が物理空間と概念空間の軌跡をほぼ同じ方法で処理していることを示唆しています。現在、Behrens、Bellmund、および神経科学者の Christian Doeller を含む研究者は、関心のある特徴に関して、すべての知識をこのようにプロットできることを提案しています。つまり、さまざまなオブジェクト、さまざまな経験、さまざまな記憶を整理し、グリッド コードでトラバースすることができます。
「マッピングできる次元はかなり恣意的なようです」と Bellmund 氏は述べています。 「興味深いのは、ドメイン全体で非常に一般的であるように見えますが、メカニズムは保存されているように見えることです.」
ドイツ神経変性疾患センターの認知神経科学者である Thomas Wolbers 氏は、この研究は、グリッド細胞が単純に「純粋な位置信号」を構成するという考えに疑問を投げかけていると付け加えました。 「これまでは、ナビゲーション タスクとパラダイムしか見てこなかったため、宇宙でしか見ていませんでした」と彼は言いました。 「もっとどこにでもあるかもしれません。」
類推の力
いくつかの興味深い暫定結果が見られた分野の 1 つは、社会的行動です。私たちは常に社会を空間的な観点から考えています。上るべき社会的はしご、構築して拡大すべきネットワーク、私たちが「近い」または「遠い」と考える人々があります。現在、いくつかの研究グループは、グリッド コードの証拠を求めて社会的関係を調査しています。
ある最近の研究では、鳥の実験と似ていない 2 次元空間が構築されました。人々はコンピューター ゲームをプレイし、力や所属のレベルを変更できる方法でキャラクターとやり取りしました。研究者は、海馬がその空間内の文字の位置を被験者に対して追跡しているように見えることを発見しました。この実験では、海馬がその社会的情報を格子状にナビゲートしているかどうかは判断できませんでしたが、現在このプロジェクトに取り組んでいるマウント サイナイのアイカーン医科大学の大学院生である Matthew Schafer は、明確な 6 方向信号を見つけることを期待しています。 (彼と他の人々は現在、自閉症スペクトラム障害のような状態を持つ人々で、そのナビゲーションがどのように中断されるか、または影響を受けるかを研究しています.)
これらのアイデアは、他の種類の空間メタファーに隠されている手がかりを追求することにも価値があるかもしれません。結局のところ、場所細胞とグリッド細胞を超えたニューロンにも貢献する何かがあるかもしれません.動物が頭を特定の方向に向けたときに発生する頭方向セル、空間を移動する速度を示す速度セル、壁やその他の環境境界の位置を表す境界セルさえあります。
これらのニューロンをより抽象的な文脈で研究することで、新しい洞察が得られるかもしれません。たとえば、境界細胞の活動は、物理空間の境界だけでなく、時系列の個別のイベント間の境界についても報告されています。これらのニューロンは、概念間の境界を形成したり、脳内の知識の明確なドメインを作成したりする役割も果たしますか?それとも、頭の方向のセルは、特定のトピック内で自分自身を方向付けるのに役立ちますか?このような類推の可能性は計り知れません。
同じことは、病気やその他の状態をよりよく理解するためにも当てはまります。ウォルバーは加齢について研究しており、最近発表された論文の中で、ウォルバーと彼の同僚は、空間ナビゲーション グリッド コードが高齢者でどのように変化するかを調べました。彼らは、信号が不安定になり、グリッドが向きによって変動することを発見しました。また、グリッドが安定していない人は、目隠しをして遠回りのコースに沿って案内されたときに、相対的な位置を追跡するのがはるかに苦手であることがわかりました. Wolbers は、グリッド コードが多くの種類の情報と記憶を処理するために使用される場合、空間グリッド システムを不安定にする病状が、記憶やその他の認知領域の安定性に、より一般的な影響を与える可能性があることを示唆しています。
それでも、「この段階では」、「利用可能なデータは不足しています。注意が必要です。」
ユニバーシティ カレッジ ロンドンの行動神経科学者であるケイト ジェフリーも同意見です。確かに、空間知識と非空間知識が 2 次元スケールで連続的に変化するものとして表現できる場合、脳は共通のシステムを使用して空間知識と非空間知識をエンコードする可能性があります。しかし、一部の認知タスクが非常に複雑で不自然であるため、脳がそれらを乗り越えるための松葉杖として空間アナログに頼らざるを得なくなる可能性もあります。おそらく、音の周波数と引き伸ばされた鳥の実験がこの機能を利用したと、ジェフリーは言いました.
統合フレームワーク
グリッド コードのより広範なアプリケーションをさらに強化するために、研究者はまず、これらの細胞が 2 次元以上でどのように機能するかを解明することを望んでいます。高レベルの知識には、首の長さや脚などの 2 種類以上の性質が関係する傾向があるためです。長さ、または力と関連。これは現在、2 次元ではなく 3 次元を移動する飛行コウモリで調査されているものです。
一部の研究者は、さらに大胆な主張をしています。マシン インテリジェンス企業 Numenta の創設者である Jeff Hawkins は、海馬領域の記憶関連の機能を説明するだけでなく、新皮質全体を理解するためにグリッド コードを適用することに取り組んでいるチームを率いています。認知、そして私たちの周りの世界のあらゆる側面をどのようにモデル化するか。彼の「知性の千脳理論」によれば、「大脳皮質は感覚入力を単独で処理するだけでなく、それを処理して特定の場所に適用する」と述べています。彼がこのアイデアを最初に思いついたとき、グリッド セルがそれをどのように促進するかについて、「とても興奮して椅子から飛び上がりました」と付け加えました。
目を閉じて、正体不明の物体に手を巻き付けているところを想像してみてください。この場合はコーヒー カップです。 Hawkins は、脳が、カップ自体に対する、カップの表面に接触している皮膚の各パッチの位置に関する情報を取得していると仮定しています。これは、グリッド コードによって、自分がいる部屋に対する空間内での身体の位置を知ることができるのと同じです。皮膚の各パッチは、接触している可能性のあるものの独立したモデルを生成します。これらのモデルはすべて相互参照され、オブジェクトが実際にコーヒー カップであるという結論に達します。
Hawkins は、構造化されたフレームワークがあれば、同じ論理が何にでも適用できると考えています。 「計画、数学、物理学、言語など、私たちが行うことはすべて同じ原則に基づいています」と彼は言いました。 「私たちはここで、脳がどのように機能するかを理解するための新しいパラダイムを突然持つことになる最先端にいると思います。」
この仮説は他の研究者の間で興味をそそりましたが、グリッド細胞が海馬の近くを越えて発見されることに懐疑的であり、Hawkins と彼のチームが彼らのモデルの力を証明するには長い道のりが必要であると言います.
それでも、人工知能を改善する方法を考えるための良い出発点を提供します。グリッド フレームワークが実際に一般的なものである場合、それを模倣して、はるかに柔軟で、創造的で、一般的で強力なマシンを構築できます。
この分野は、これらの概念に取り組み始めたばかりです。今のところ、研究者は海馬の活動を多くの異なる文脈で調査し続けており、最終的にその記憶とナビゲーション機能を完全に統合することを期待しています. 「概念的および認知的アイデアが、非常に低レベルのニューラル データと実際に結び付き始めたとき」と Stachenfeld 氏は言います。
この記事はに転載されました TheAtlantic.com .
