私たちはしばしば、記憶を過去の再実行、つまり経験した出来事や感覚の精神的な複製と考えています。脳内では、同じパターンの神経活動が再び表現されるのと似ています。たとえば、人の顔を思い出すと、顔を見たときと同じ神経パターンが活性化される可能性があります。実際、いくつかの記憶プロセスでは、このようなことが起こります.
しかし近年、研究者は、視覚表現と記憶表現の間に微妙ではあるが重要な違いがあることを繰り返し発見しており、後者は脳内のわずかに異なる場所に一貫して現れています.科学者たちは、この変化をどう解釈すべきか確信が持てませんでした:それはどのような機能を果たし、記憶自体の性質にとって何を意味するのでしょうか?
今、彼らは答えを見つけたかもしれません — 記憶よりも言語に焦点を当てた研究で.
神経科学者のチームは、顔や場所から社会的関係や気象現象に至るまで、幅広い概念に関する言語情報に反応する皮質の領域を驚くほど詳細に示す脳のセマンティック マップを作成しました。そのマップを、脳が視覚情報のカテゴリを表す場所を示すために作成したマップと比較すると、パターン間に意味のある違いがあることがわかりました。
そして、それらの違いは、視覚と記憶に関する研究で報告されたものとまったく同じように見えました.
この発見は、昨年 10 月に Nature Neuroscience に掲載されました 、多くの場合、記憶は再生される過去の認識の複製ではないことを示唆しています.代わりに、セマンティック コンテンツに基づいて元のエクスペリエンスを再構築したようなものです。
この洞察は、なぜ記憶が過去の不完全な記録であることが多いのかを説明するのに役立つかもしれません。また、何かを覚えることが実際に何を意味するのかをよりよく理解するのに役立つかもしれません.
意味のモザイク
セマンティクスに関する新しい研究は、記憶に関する研究とは完全に独立していました。この 2 つはほぼ同時に展開されましたが、米国の反対側で展開されました。
2012 年、カリフォルニア大学バークレー校の計算および認知神経科学者である Jack Gallant は、人間の視覚系を研究するための機能的 MRI (磁気共鳴画像法) ツールとモデルの開発に 10 年の大半を費やしました。 fMRI 装置は脳内の血流と電気的活動の変化を測定できるため、神経科学者はしばしばそれらを使用して、皮質のどの部分がさまざまな刺激に反応するかを研究しています。
当時ギャラント大学の大学院生の 1 人であったアレックス ヒュースは、ギャラント ラボの最先端技術を使用して、脳がさまざまな種類の視覚情報をエンコードしている場所を分析しました。 Huth、Gallant、および彼らの同僚は、参加者に fMRI スキャナーの中にいる間、無音のビデオを何時間も見させました。次に、データをボクセルと呼ばれる豆粒大の脳組織の記録に分割し、スキャンを分析して、大脳皮質全体のどこに何百もの物体と行動が表されているかを特定しました。
彼らは、すべての参加者で非常に一貫したパターン、つまり視覚的な意味の一般化されたマップを形成するパターンを発見しました。顔や場所に選択的に反応する領域など、以前の研究ですでに知られている視覚野のいくつかの領域の同一性が確認されました。しかし、動物、家族、屋内シーン、屋外シーン、動いている人物などの画像に反応する領域など、他にも何百もの選択的なパッチが初めて検出されました。
Huthはそれだけではありませんでした。彼と彼のチームは、視覚刺激の代わりに言語を使用して、同様のことを試みることにしました。彼らはポッドキャストの録音を何時間も聞いてもらい、それらの話で聞いた何百もの概念に脳がどのように反応するかを評価しました。研究者が Nature でまとめて報告したセマンティック ネットワーク 2016 年に作成された別のパッチワーク マップ、大脳皮質の大部分をタイル状に並べた意味のモザイクは、このスケールと次元で「本当に新しいもの」であると Gallant 氏は述べています。 「誰も探していませんでした。」
これらの 2 つの皮質マップを手にした彼らは、研究が同じ参加者の何人かを使用していたことに気付きました。 Huth 氏は、現在テキサス大学オースティン校で神経科学とコンピューター サイエンスの助教授を務めています。しかし、それは彼らが尋ねる方法を明らかにしました:視覚的表現と言語的表現はどのように関連していましたか?
以前の画像研究では、大まかな重複領域が特定されていましたが、これは理にかなっています。私たち人間は、世界で知覚するものにラベルを割り当てるため、脳がそれらの表現を組み合わせるのは適切です.しかし、Huth と彼の同僚は、より正確なアプローチを取りました。彼らは、ビデオと言語刺激の両方で見つかった約 1,000 のセマンティック カテゴリの中で、個々のボクセルが何に反応したかをモデル化しました。
以前の調査と同様に、彼らは重複の証拠を発見しました。しかし、Huth は奇妙なことに気付きました。
彼は 2016 年のデータを視覚化し、各ボクセルを利用して、どの言語ベースのカテゴリに反応したかを確認しました。場所を選択する領域にズームインすると、脳の前部に最も近い領域の前端にあるボクセルのみが場所の単語を表していることに気付きました:アパート、家、車、床、農場、カリフォルニア。地域の後部は、この言語情報をまったく表していませんでした.
「これにより、ここでもっと興味深いことが起こっているのではないかと考えるようになりました」と Huth 氏は言いました。
整然とした移行ゾーン
Huth は 2012 年の視覚実験のデータを呼び出し、大脳皮質のこの場所を選択する領域で、背中の部分が場所に関連する画像にのみ反応することを確認しました。彼が正面に近い領域を見ると、場所の画像と場所の言葉の両方が表されていました.2016年のビジュアライゼーションをいじっていたときに見たように、領域の境界では、言葉だけが脳の活動を引き起こしました.わずか数センチの皮質で、場所の視覚的表現から言語的表現へと徐々に、継続的に移行しているように見えました.
「驚くほどきれいでした」と Huth 氏は言います。 「これは、このパターンが飛び出すのを見て、わくわくするような『あはは』の瞬間でした。」
パターンがどれほど体系的であるかをテストするために、ギャラントの研究室の大学院生だったサラ・ポパムは、チームのために統計分析を開発し、視覚野の境界に沿ってこれらの勾配を探しました。彼らはどこでもそれを見つけました。実験で研究された何百ものカテゴリのすべてについて、視覚野全体の周りにほぼ完璧なリボンを形成する遷移ゾーンに配置された表現。 「国境の裏側で起こっていることと、国境の前で起こっていることの間には一致があります」とギャラントは言いました.
その一致だけでも注目に値するものでした。シカゴ大学の心理学者ウィルマ・ベインブリッジ氏は、「脳内に境界線や線引きされた領域が見られることは実際にはまれです。彼はこの研究には関与していません。 「これほどのものは見たことがありません。」
パターンは個人間でも体系的で、各参加者に何度も現れました。ダートマス大学で知覚と記憶を研究しているポスドク研究員の Adam Steel は、次のように述べています。
これは、これらの勾配を介して視覚皮質が残りの皮質とどのように相互作用するかを示しています。多くの並列チャネルはそれぞれ、異なるタイプの表現にわたって意味を保持しているようです。視覚処理の階層モデルでは、脳はまずエッジや輪郭などの特定の特徴を抽出し、次にそれらを組み合わせてより複雑な表現を構築します。しかし、これらの複雑な表現がどのように抽象化されるのかは不明です。確かに、視覚的な詳細が組み合わされて、たとえば猫のイメージが作成される場合があります。しかし、その最終的な画像はどのようにして「猫」という概念的なカテゴリに割り当てられるのでしょうか?
さて、この作業は、視覚的な詳細からより大きな抽象化への進行が、より詳細なレベルでどのように起こり始めるかを示唆しています。 「私たちは、よく理解している脳の部分と、ほとんど理解していない脳の別の部分をくっつけているのです」と Gallant 氏は言います。 「そして、私たちが見ているのは、デザインの原則が実際にはそれほど変わっていないということです。」
実際、脳組織の伝統的な理論の 1 つは、意味知識の表現は専用の領域で発生すると仮定しています。これは、知覚システムを含むさまざまなシステムから情報を受け取るハブのようなコマンド センターです。しかし、Gallant のチームの結果は、これらの異なるネットワークが密接に絡み合っているため、分離できない可能性があることを示唆しています。 「物事に関する私たちの理解、知識は、実際には知覚システムにある程度埋め込まれています」と、国立精神衛生研究所のクリス・ベイカーは述べています。
この発見は、世界に関する人間の抽象的な知識がどのように発展するかについて示唆を与える可能性があります。 Huth 氏によると、おそらく、言語ベースの表現は、知覚的表現から部分的にパターン化されており、この調整は、それがどのように起こるかのメカニズムの一部として機能します。マサチューセッツ工科大学の認知神経科学者である Ev Fedorenko は、さまざまな脳領域の知覚能力が、実際には「より広い概念空間の出現構造を決定する」可能性があると述べています。おそらくそれは、意味そのものの本質について何かを語ることができるかもしれません. "意味は何ですか？"彼女は言いました。 「おそらく、一部の人が主張しているよりも多くのことが具現化されています。」
しかし、最も興味深いのは、大脳皮質における表象のタイプ間の段階的な移行が、知覚と記憶の関係に関する最近の発見を反映していることです。
認識ではなく、意味の記録
2013 年、コロンビア大学の認知神経科学者である Christopher Baldassano は、場所に選択的に反応することが知られている領域で神経活動を観察したときに、興味深いパターンを発見しました。領域の後方に向かう活動のパターンは、既知の視覚ネットワークを特徴付けるパターンと相関していましたが、領域の前方部分の活動は、代わりに記憶ネットワークの活動に関連しているように見えました.
これは、記憶の表現が正確な再活性化ではなく、対応する視覚的表現が見つかる場所のすぐ隣の場所への皮質の不動産全体の微妙なシフトを伴う可能性があることを示唆しています.
過去 1 年間に、ダートマス大学の Bainbridge、Baker、Steel、Caroline Robertson による研究を含むいくつかの新しい研究が、人々がさまざまな画像を見て、後で思い出したり想像したりするときの脳の活動を直接比較することによって、その発見を強化しました。いずれの場合も、体系的な空間変換によって、脳の感覚表現と記憶表現の違いが明らかになりました。そして視覚的表現は、関連する記憶のすぐ後ろに現れました — Huth の言語ベースの研究と同じように。
あの研究と同じように、今回の研究も、知覚と記憶が深く絡み合っていることを示しているようです。 「私たちの記憶システムを完全に独立したワークスペースと考えるのは意味がありません」と Baldassano 氏は言いました。
オレゴン大学の神経科学者であるブライス・クール氏は、「多くの人は、知覚体験は燃え盛る炎のようなものであり、記憶体験は揺らめくろうそくのようなものであるという直感的な考えを持っています.しかし、記憶は元の経験の単なる弱いエコーではないことは明らかです。これらの最近の実験で見られた物理的な変化は、代わりに、表現自体の体系的な変化が、完全に異なる経験をエンコードすることを示唆していますが、元の経験にはまだつながっています.
Huth の研究は、その変化の性質に関する新しい洞察を提供します。おそらく、記憶は私たちが思っていたほど視覚的に駆動されていません。多分それはより抽象的で、より意味論的で、より言語的です。 「私たちは、物事のこれらの素晴らしい視覚的表現を持っているというこの印象をしばしば持っています」とベイカーは言いました. 「あなたはそれを見ることができるように感じます。しかし、あなたにはできないかもしれません。」
クールにとって、それは理にかなっています。結局のところ、「私たちが何かを想像したり、何かを思い出したりするとき、それは実際にそれを見るのとは異なることを知っています」と彼は言いました.私たちが心の目で見ているのは、文字通りの再生ではなく、記憶されたシーンやオブジェクトの意味内容に基づいた再解釈である可能性があります。 「私たちは、知覚体験をテンプレートとして使用することに固執しています。しかし、それは私たちを少し盲目にしたと思います。」
これらの仮説を検証するために、研究者は現在、精神的なイメージを呼び起こすことができないように見える人々、アファンタジアと呼ばれる状態を研究しています.おそらく、アファンタジアを持つ人々は、神経表現においてより大きな前方へのシフトを示すだろうとベインブリッジは述べた.これは、視覚的反応と意味的反応の組み合わせにあまりこだわらない可能性があり、抽象的思考へのより迅速な移行を示唆している.
「概念的には、この分野は本当に新しいアイデアであると私が考える何かに向かっているようです」と Kuhl 氏は述べています。 「それは私たちの考えを揺るがしています。」
