脳の記憶と学習

コンピュータの記憶は、記憶すべき情報を人間が一定の規則に従って入力することによって実現するが、人間は常に行動の中で自動的に次々と新しい情報がきて、時には自ら必要な情報を探しに行くこともあり、膨大な情報量を記憶している。鮮明に記憶に残ることもあれば、忘れることが記憶形成の問題なのか、読み出し時の不具合によるものなのか、自然に忘れてしまう出来事も多い。人間は膨大な入力情報を扱いながら、それを適切に記憶して実生活で活用している。さらに、記憶と切っても切れない関係にあるのが学習で、外界からの何らかの働きかけに対し、人間はそれまでの経験した記憶から判断して何らかの回答を出し、その結果を評価しながら、それによって生成した結果を関係づけて記憶する。このような人間の情報処理、記憶/学習の仕組みは、急速に進む社会の情報化の中で、この人間のような情報処理はできないものかということで登場した研究のメイン・テーマである。電子技術総合研究所ではその実現に向けて、生体の記憶・学習機構動作原理のエッセンスを抽出する作業をしている。まず、人の記憶をその内容によって大きく陳述的記憶と非陳述的記憶の2種に分類し、前者は文字通り記憶内容が記述(陳述)できるようなもので、「何時、何処で、誰が何をした」といったエピソードの記憶などである。その記憶形成には視覚や聴覚、体性感覚などの感覚器から入力された全ての感覚情報が素材として使われる。一方、非陳述的記憶は自転車の乗り方など、頭でなく体で覚えた記憶であり、技能の記憶などが含まれる。電子技術総合研究所では陳述的記憶がどのように形成され、どのように保持され、どのように検索、読み出しが行われるかなどの高次脳機能の中でもとりわけ重要な機能の解明を目指して研究を続けている。電子技術総合研究所では、それら記憶機能に関わる脳構造は脳全体に広く分布し、連携動作していると考え、人間の海馬周辺皮質と海馬、海馬周辺皮質と大脳連合野の機能連関に焦点を当てて研究を進めている。例えば、側頭葉内側部(medial temporal lobe)が損傷されると記憶形成能が著しく損なわれるという臨床例から、記憶形成に極めて重要であるという判断を下している。また、外界から受け取る種々モダリティの感覚情報は大脳皮質で処理された後、記憶機構(medial temporal lobe memorysystem)の構成要素として海馬、海馬傍回、扁桃体がある側頭葉内側部に送られ、近年の研究から短期記憶の形成・保持と長期記憶への変換過程(consolidation など)を担当するものと判断される海馬が、その中心をなす重要な器官であるという判断を下している。一方、海馬を中心として形成された記憶はその後、大脳連合野に送られ、長期記憶として蓄えられるという記憶機構の全体像が想定されてる。短期記憶に中核的な役割を果たすと考えられる海馬と長期記憶が蓄えられる大脳連合野(側頭、頭頂さらに前頭連合野)を結ぶ唯一の皮質構造が嗅内皮質(entorhinal cortex )であり、嗅内皮質表層(I〜III層)は大脳感覚野から種々の感覚入力を受け取り、II、III層の細胞は海馬にその情報を送る。海馬では歯状回、CA3、CA1錐体細胞を順次に結合するtrisynapticcircuitで情報処理がなされる。その後、情報は再び嗅内皮質の深層(V、VI層)に戻され、嗅周囲皮質(perirhinal cortex )等を介して大脳連合野に送り出される。これら情報の流れから、嗅内皮質は海馬にとって情報入・出力のインタフェースとして重要な役割を果たすものと考えられている。また、海馬から送られた情報が大脳連合野に長期に保持(記憶)されると仮定すると、大脳連合野にとって、嗅内皮質(嗅周囲皮質)は同様に情報の入・出力インタフェースとして働くことになる。このように嗅内皮質(嗅周囲皮質)は記憶・学習機構において極めて重要なポジションを占めるにも拘らず、その機能的構造に関する理解は非常に立ち遅れているのが現状である。その機能的構造の解明は記憶・学習機構の理解を飛躍的に前進させるものと考えられ、電子技術総合研究所ではプロジェクトとして嗅内皮質、および嗅周囲皮質を中心に記憶機構の解明を目指して研究を推進している。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。また、イギリスBBCは2004年12月31日に多くの死者が出たスリランカで、津波は最大3.5kmも内陸に波打ち寄せたが、Wildlife officials in Sri Lankaが調査した結果、動物たちは第六感が働いたのか？一匹も死んだ動物を発見していないと報告した。また、スマトラ島で虎の飼育をしているDebbie Martyrも、虎の死骸を一匹も発見していない、「Wild animals in particular are extremely sensitive,(野生動物は非常に敏感)」と報告している。詳細情報はURL(http://news.bbc.co.uk/1/hi/world/south_asia/4136485.stm)で知ることができる。Educational CyberPlayGroundは、新しいClassroomのリソースとして、リテラシーとしての「ABOUT THE BRAIN(脳について)」を公開した。詳細情報はURL(http://www.edu-cyberpg.com/Literacy/whatresearch3.asp)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。