見覚えのあるものを見たときの脳内

脳の下側頭（IT）皮質と呼ばれる視覚部分の活発な活動は、人が見知らぬ人の顔や見たことのない絵など、何か新しいものを見ていることを意味すると考えていました。しかし実際は、少し異なっている事が実験で明らかになりました。

when a person views a familiar image, even having seen it just once before for a few seconds, something unique happens in the human brain.

参照元：https://penntoday.upenn.edu/news/Penn-research-what-happens-brain-when-something-looks-familiar
– ペンシルバニア大学 University of Pennsylvania. April 27, 2021 –

人が見慣れた画像を見るとき、たとえそれが一度しか見たことのないものであっても、数秒間、人間の脳内ではユニークなことが起こります。

最近まで神経科学者たちは、脳の下側頭（IT）皮質と呼ばれる視覚部分の活発な活動は、人が見知らぬ人の顔や見たことのない絵など、何か新しいものを見ていることを意味すると考えていました。

一方、IT皮質の活動が少ないと、慣れていることを示します。

しかし、ペンシルバニア大学の神経科学者であるニコル・ラスト氏は、反復抑制と呼ばれるこの理論のどこかがうまくいかないと考えました。

ペンシルバニア大学心理学部の准教授であるラスト氏は話します。

「すべての画像が新規のものであっても、画像によって活性化の量は異なります。」

さらに、画像の明るさやコントラストなど、他の要素でも同様の効果が得られるという。

米国科学アカデミー紀要に掲載された論文の中で、Rust教授とポスドク研究員のVahid Mehrpour氏は、ペンシルバニア大学の研究員Travis Meye氏rおよびニューヨーク大学のEero Simoncelli氏とともに、新しい理論を提案しています。

すなわち、脳は感覚入力から期待される活性化のレベルを理解し、それに合わせて補正し、親しみのある信号を残すというものだ。彼らはこれを「感覚の参照抑制」と呼んでいます。

ラスト氏の研究室では、神経活動の測定と数学的モデリングを組み合わせて、脳内で何が起こっているかを解明するシステムおよび計算神経科学に力を入れています。

その一環として、視覚システムを研究しています。

視覚の大きな問題は、世界からの情報をいかに解釈可能な形で頭に入れるかということです。

このプロセスは複雑ですが、ここではわかりやすくするために大幅に簡略化しています。

情報は杆体と錐体を経由して目に入ってきます。

情報は、杆体と錐体を経由して目に入り、ニューロンからニューロンへと伝わり、視覚システムを構成するいくつかの脳領域を経て、最終的にIT皮質と呼ばれる視覚脳領域に到達します。

1,600万個のニューロンは、見ているものによって異なるパターンで活動し、脳はそのパターンを解釈して、見ているものを理解しなければなりません。

ラスト氏は話します。

「特定の顔に対しては、1つのパターンが得られます。コーヒーカップ”では別のパターンになります。鉛筆では別のパターンになります」

「これが視覚システムの役割です。自分が見ているものを読み解くために、世界を再構築しているのです。」

視覚での役割に加えて、IT皮質の活性化は記憶でも役割を果たしていると考えられています。

従来の理論である反復抑制では、活性化の閾値を超えると、その閾値を超えてしまうと考えられています。

神経活動が多いと、その画像が新しいものであることを脳に伝え、少ないと、過去に見たことのある画像であることを脳に伝えます。

大脳皮質における神経活動（スパイク）の総量にはいくつかの要因が影響するため、脳は何が具体的な反応を引き起こしているのかを判別することができません。

Mehrpour氏によると、その原因は、記憶、画像のコントラスト、あるいはまったく別のものかもしれないといいます。

Mehrpour氏は話します。

「私たちは、これらの他の要因（ここではコントラスト）による変化を、脳が補正するという新しいアイデアを提案します。」

補正された後に残るのは、親近感に対する孤立した脳の活性化です。

言い換えれば、脳は以前に見たことのあるものを見ているときに理解するのです。

この結論を導き出すために、研究者たちは2匹の成人男性アカゲザルにグレースケール画像のシーケンスを提示しました。

それぞれの画像は、高コントラストと低コントラストの組み合わせで、1回目は目新しいもの、2回目は見慣れたものとして、正確に2回表示されました。

1回の視聴時間は正確に0.5秒でした。

その際、コントラストは無視して、目の動きで画像が新しいものか、見覚えのあるものかを判断するように訓練しました。

これは、1万個のニューロンの発火を平均化した神経活動の指標を測定する方法とは異なる、独自の方法です。

ラスト氏たちは、神経コードを理解するために、個々のニューロンの情報が必要だったのです。

ラスト氏たちは、数学的アプローチを用いて、マカクが記憶と対照を区別する方法を説明するスパイクのパターンを解読しました。

その結果、仮説が裏付けられたのです。

ラスト氏は話します。

「慣れ親しんだものと対照的なものは、どちらも全体の発火率を変化させます。私たちが言いたいのは、脳は一方を他方から切り離して分離することができるということです。」

将来的には、このプロセスをより深く理解することで、人工知能への応用が期待できるとMehrpour氏は言います。

「コントラストのような感覚入力の変化があったときに、脳がどのように情報を表現し、記憶の中で再構築するのかがわかれば、同じように機能するAIシステムを設計することができます。脳と同じように動作する機械を作ることができるかもしれません。」

さらにRust氏は、今回の研究成果は、アルツハイマー病などの記憶障害の治療にも影響を与える可能性があると言います。

「健康な脳の記憶がどのように機能しているかを理解することで、高齢者を悩ませる記憶に関する障害の予防や治療法を開発するための基礎を築くことができるのです。」

しかし、このようなことを実現するためには、常に研究を続けることが重要だと彼女は言います。

「この問題を解決するためには、行動を促す記憶のシグナルを理解する必要があります。今回の研究により、神経科学者たちは一歩近づいたといえるでしょう。」