同じ神経を共有する「注意とワーキングメモリ(動作に必要な情報を一時保存)」

プリンストン大学の研究者らは、人間の注意とワーキングメモリが、同じ神経メカニズムを共有していることを明らかにしました。

In a pair of experiments with two rhesus macaque monkeys, the researchers found that neurons in the prefrontal cortices that focus attention on sensory stimuli are the very same ones that focus on an item in working memory. What’s more, Panichello and Buschman actually observed the neural representations of those memories realigning in the brain as the monkeys selected which memories to act upon.

参照元：https://www.princeton.edu/news/2021/03/31/attention-and-working-memory-two-sides-same-neural-coin
– プリンストン大学 Princeton University. March 31, 2021 3 p.m. –

1890年、心理学者のウィリアム・ジェームズ氏は、「注意」を「周囲の世界だけでなく、自分の心の内容にも照らすスポットライト」と表現しました。

それ以来、多くの認知科学者は、ジェームズが「感覚的注意」と呼んだものと、「知的注意」と呼んだものを明確に区別してきました。

しかし、プリンストン大学の神経科学者たちの新しい研究によると、ジェームズは、外界への注意と自分の考えへの注意が、実は同じ神経のコインの裏表であることを発見しました。

しかも、脳の中でコインが反転する様子を観察したそうです。

プリンストン大学神経科学研究所のポスドク研究員Matthew Panichello氏とプリンストン大学心理学・神経科学助教授Timothy Buschman氏は、2021年3月31日付けで『Nature』誌に論文を発表し、注意とワーキングメモリが同じ神経メカニズムを共有していることを明らかにしました。

さらに重要なことに、彼らの研究は、記憶の神経的な表現が、行動を指示する際にどのように変化するかを明らかにしています。

Buschman氏は話します。

「私たちは、感覚的な入力に対して行動することを『注意』と呼んでいます。しかし、同じようなメカニズムで、私たちが心に抱く思考にも作用することができるのです。」

2匹のアカゲザルを使った実験では、感覚刺激に注意を向ける前頭前野のニューロンが、ワーキングメモリ内の項目に注意を向けるニューロンと同じであることを発見しました。

さらに、Panichello氏とBuschman氏は、サルがどの記憶に基づいて行動するかを選択する際に、それらの記憶の神経表現が脳内で再編成される様子を実際に観察しました。

ある実験では、サルをコンピュータのモニターの前に座らせ、目の動きを追跡するカメラを設置しました。

モニターには、ランダムに選ばれた色の正方形が上下に並んで表示されます。

その後、マス目が消えたので、サルはマス目の色と位置を覚えていなければなりません。

しばらくして、シンボルが現れ、作業記憶の中からどのマスを選択するかが示されました。

そして、また間を置いて、選択したマスの色をカラーホイールに合わせて報告しました。

タスクを実行するためには，2つの色をワーキングメモリに保持し，目的の色を記憶から選択して，その色をカラーホイールで報告する必要がありました。

答えるたびにジュースが与えられました。

色の報告が目標の色に近ければ近いほど、より多くの液滴を得ることができました。

2つ目の実験では、作業記憶からアイテムを選択することと、より古典的な注意課題とを比較するために、サルが色のついた四角を見る前に方向を指示しました。

これにより、サルは指示されたマスに全神経を集中させることができました（他のマスは無視します）。

予想通り、サルはどのマスに注意を向け、どのマスを無視すればよいかを事前に知っていたため、この課題の成績が向上しました。

研究チームは、前頭前野、頭頂葉、視覚野の神経活動を記録しました。

前頭前野は、注意、作業記憶、計画、抑制など、さまざまな実行機能のプロセスに関連しています。

今回の研究では、注意を向ける前頭前野の同じニューロンが、サルのワーキングメモリから項目を選択する際にも使われていることを発見しました。

これは、脳内のどこでも同じというわけではありませんでした。

色の認識に関連する視覚野の領域と、視覚と空間の分析に関連する頭頂葉の領域では、感覚入力に注意を向けることと、作業記憶から目的の色を選択することは、それぞれ異なる神経メカニズムで行われていたのです。

Buschman氏は話します。

「注意は、特定の刺激に資源を集中させることを可能にしますが、同様の選択プロセスは、ワーキングメモリ内のアイテムでも起こります。私たちの結果は、前頭前野が1つの表現を使って、注意とワーキングメモリの両方を制御していることを示しています。」

また、同じ神経記録から、ある項目を選択すると、その項目がワーキングメモリに隠れたり、反応に使われたりするように記憶が変化することもわかりました。

これには、前頭前野の記憶表現を動的に回転させることが関与していました。

これは、文字の書かれた紙を持っている状態に例えられます。

紙を端から顔に向けて持つと読めませんよね。

このように隠すことで、脳が間違った反応を起こしたり、早すぎる反応を起こしたりするのを防いでいるのだとBuschman氏は説明します

Buschman氏は話します。

「脳は、ネットワークから見えないように情報を保持しています。そして、試行の最後に反応するときになると、記憶表現が回転します。紙を回転させることで文章を読んで行動することができるように、神経表現を回転させることで脳が行動を指示することができるのです。」

「このダイナミックな変化には驚かされました。脳が作業記憶の中のアイテムを操作して、行動を導くことができることを示しています。」

今回の研究には関与していないマサチューセッツ工科大学の神経科学者アール・ミラー氏は話します。

「重要な論文です。注意とワーキングメモリは、しばしば表裏一体のものとして議論されてきましたが、それは主にリップサービスでした。この論文では、それがいかに正しいかを示すとともに、”コイン–両者が共有するコード化と制御のメカニズム–を示しています。」

「私たちの目標は、”注意 “という言葉を上書きすることではありません。むしろ、何十年にもわたって行われてきた注意の研究から得られた知見を一般化して、他の実行機能に光を当てることができるのではないかと期待しています。注意は、感覚的な入力を認知的に制御するものとしてよく研究されてきました。今回の結果は、これらの概念を他の行動にまで広げるものです。」