脳情報処理工学応用

脳の情報処理機能を解析し、工学的に応用する研究の総称。人間社会は、情報量の急激な膨張と活動の高速化に伴い、情報処理システムへの依存度を急速に増し、情報処理方式の変革が要請されている。過去のシステムでは、人間が整えて入力したデータやルールを大量に静的に蓄え、あるいは多数の並列処理プロセスを固定的に抱え、システム所定の形式と範囲内の質問や指令に従って超高速に機械的に検索したり計算して反応を返すことが典型的な使命であった。しかし、このようなシステムでは、質問、要求が想定範囲外であったり、求めるデータや反応ルールが記憶中にない場合はもちろん正しく動作しない。そのうえ、個々のデータ間の関連性や、一連の質問、行動状況の間の文脈や関連性を扱えないことから、答えが直接見つからない時には記憶内のデータ断片を動的につなぎ合わせて情報生成したり、個別の質問に直接含まれない検索意図や状況文脈を捉えて的確な反応をすることができない。すなわち、大量の情報を抱え、あるいは多数の並列プロセスを抱えているのに、それらを動的に組織化できないために、全く活かし切れていないという状況になっている。しかし、現在ではインターネットで相互結合され、大量の情報が時々刻々更新される洪水のように提供され、蓄積された巨大な情報の中で、あらかじめ規定できない多様な問い合わせ、状況、ミッションでも能動的に動き回って情報収集し、有意味な関連を持つ事象の文脈情報や連鎖情報を抽出し、判断、行動するといった高度な情報処理が望まれている。これまでに、大脳前頭連合野の損傷患者は、決まりきった日常的な行動をする上では障害はないが、新奇な状況、問題状況においては適切な反応ができず、ステレオタイプ的な反応しかできないという事例が報告されている。この状況は現在のロボットや情報処理システム一般が置かれている状況と良く似たところがあり、適切な反応を選択するというワーキングメモリーの障害によって起こるものと考えられている。つまり、何分か前に出された刺激、それに関連した過去の記憶など、置かれた状況で必要な情報を「動的な記憶」として保持する機構であるワーキングメモリーの機能は、これまでの情報処理システムやロボットに欠けている高次機能に相当し、そのモデル化と工学的実現は、既存の情報処理システムの飛躍的な能力向上のキーテクノロジーとなると考えられている。電子技術総合研究所では、このようなシステムの実現に向けて、工学・情報科学研究者と、脳を情報科学的に理解するために研究している生理学者が共同で研究することによって可能になると考え、工学・情報科学的研究と生理学的研究の統合的アプローチにより研究を推進している。この研究から、生理研究の成果はモデリングやシステムの工学的実現に逐次、活用されるが、一方でモデルの検証や工学実験結果の解釈から、これまで生理研究だけでは明らかにされなかった脳情報処理の実態も明らかにされることが期待される。また、新しい研究環境を設定し、現在のコンピュータサイエンス、ロボティックスが抱えている大きな問題にチャレンジする研究といえる。電子技術総合研究所彙報の情報はURL(http://www.etl.go.jp/jp/results/bulletin/index.html)で知ることができる。また、インターネット上には脳について知ることができるBrain Explorerもある。詳細情報はURL(http://www.brainexplorer.org/)で知ることができる。また、インターネット上には製薬会社Pfizerが提供している「Brain games(頭脳ゲーム)」もある。詳細情報はURL(http://www.pfizer.com/brain/)で知ることができる。NASA(National Aeronautics and Space Administration/米国航空宇宙局/ナサ)は2003年5月6日に、「Explorers: Balancing Brains」として、人間がバランスを保持するための脳を分析し、宇宙で作業をする人の脳を研究し、無重力の宇宙で身体的バランスを保持するための研究成果「Liftoff to Space Exploration」を発表している。詳細情報はURL(http://liftoff.msfc.nasa.gov/news/2003/news-balance.asp?list22849-151)で知ることができる。理化学研究所は2004年2月27日に、理研ニュース別冊として、「なるほど！脳の中身が見えてきた！」のPDF版を公開した。詳細情報はURL(http://www.riken.go.jp/r-world/info/release/news/special/pdf/0402.pdf)で知ることができる。newscientistは2006年6月27日に、新しい研究によると、母国語が脳でどのように数学の難問を解決するかを決定するかもしれないと報告した。脳キャンは、数を比較して合計するとき、中国語を話す人が英語を話す人より視覚領域を当てにするのを明らかにした。研究者は、私たちの母国語が私たちの脳の問題解決サーキットが展開する方法に影響を及ぼすかもしれないことを提案した。しかし、彼らは、文化、または遺伝子によって異なった教授法や方程式が異なって解決するために中国人と英語を話す人の脳を比較してしまったかもしれないと言い足している。しかし、調査結果は、教育者が若い学生に数学を教える最も良い方法を特定することを助けることができるかもしれない。 ただし、北米の工業学校と技術会社のリーダーは、中国と日本の子供と比較してコンピュータ能力で遅れることを心配している。この研究は2001年に出版されたJournal of Experimental Psychology, vol 130, p 299で最初の研究を知ることができ、最新の研究では、中国の大連工業大学でYiyuan Tangの指導で、20代男女12人の中国語を母国語とする地元大学生と、米国、オーストラリア、カナダ、およびイギリスから英語を母国語とする20代男女12人を募集し、最初にアラビア数字2つを提示し、その合計が3番目のケタで提示された数字と同じかどうかを英語でテストし、その反応をMRI (Magnetic Resonance Imaging)でスキャンしてテストした結果を紹介し、アリゾナ州フェニックスのBanner Good Samaritan Medical Centerに所属するEric Reimanは、「英語を母国語とする人は単語の意味にかかわる追加脳の周辺をさらに当てにしているが、中国語を母国語として話す人は視覚外観と数の物理的な操作にかかわる追加脳の周辺をさらに当てにして答えていた」と報告している。明確に、中国語を話す人はvisuo-premotor協会ネットワークと呼ばれる視覚的、そして、空間的な脳のセンターにより多くの活動を持っていました。 英語を母国語とする人は脳の左の半分のperisylvian皮質として知られている言語ネットワークで、より多くの活動を示しました。明確に、中国語を話す人はvisuo-premotor association networkと呼ばれる視覚的、そして、空間的な脳の中央部より多くの活動をし、英語を母国語とする人は脳の左の半分のperisylvian皮質として知られている言語ネットワークで、より多くの活動を示していたと報告した。詳細情報はURL(http://www.newscientist.com/article/dn9422?DCMP=NLC-nletter&nsref=dn9422)で知ることができる。疲れたコンピュータ・ユーザーのために、いつやめるかを指示してくれる「はちまき」をInformationWeekが2007年10月12日に紹介してきた。詳細情報はURL(http://www.informationweek.com/news/showArticle.jhtml?articleID=202401723&subSection=News)で知ることができる。タフツ大学(Tufts University)のコンピュータ・サイエンスロバート・ヤコブ(Robert Jacob)教授と医用生体工学セルジオ・ファンティニ(Sergio Fantini)教授チームは脳の感情的な状態を測定するため、近赤外分光法センサーを使用して、脳で血液酸素処理レベルをモニターするハイテク鉢巻きを開発した。タフツ大学(Tufts University)チームが開発した「はちまき」を利用することで、パソコンを使っている人のストレス尺度を測定し、ひどく疲れているか、意識散漫になり始めているか、まだ明確に反応できるかを示してくれ、この研究は「 ACM Symposium on User Interface Software and Technology」として、NSF(National Science Foundation/米国科学財団)からUS$445,000の交付金を受けて開発された。この技術は、脳の感情的な状態に関するリアルタイムの洞察を獲得するためにMRIのような「はちまき」の使用が伴い。この技術は、研究の長期目標として、普通のコンピュータ・ユーザーのためにユーザー・インタフェースを改良することで、コンピュータ・ユーザーだけではなく、もちろん航空管制官、軍事作戦本部、パイロットなどにも利用できるかもしれない。技術解説は、URL(http://www.cs.tufts.edu/~jacob/papers/uist07.poster.pdf)で知ることができる。チームは、機能的な近赤外分光法(fNIRS)を使用して、技術が安全で、携帯用の非観血であると言っている。「はちまき」の上のセンサは追跡されるために額への赤外光、そして、可能な酸素処理を送るレーザー・ダイオードが取り付けられている。