脳は歌とその他の音楽を区別している「歌だけに反応するニューロン郡」

歌と音楽、脳はそれぞれを別物として判断しているようです。
研究者たちは、歌に反応し他の種類の音楽には反応しないニューロン集団を特定しました。

For the first time, MIT neuroscientists have identified a population of neurons in the human brain that lights up when we hear singing, but not other types of music.

参照元：https://news.mit.edu/2022/singing-neurons-0222
– マサチューセッツ工科大学 Massachusetts Institute of Technology. February 22, 2022 –

マサチューセッツ工科大学の神経科学者は、人間の脳に、歌を聴くと点灯し、他の種類の音楽は点灯しない神経細胞の集団を初めて特定しました。

これらのニューロンは聴覚皮質に存在し、声と音楽の特定の組み合わせに反応し、通常の音声や器楽には反応しないようです。

この神経細胞が何をしているのかは不明であり、解明にはさらなる研究が必要であると研究者らは述べています。

元MITポスドクで、現在ロチェスター大学医療センター神経科学の助教授であるサム・ノーマン-ハイニア氏は話します。

ハイニア氏：この研究は、音楽における直感的な区別と一致する方法で、聴覚皮質内の機能の比較的細かい分離の証拠を提供しています。

この研究は、同じ研究チームが機能的磁気共鳴画像法（fMRI）を用いて、音楽に特異的に反応する脳の聴覚皮質のニューロン集団を特定した2015年の研究を基にしています。

今回の研究では、脳の表面で撮影した電気活動の記録を使用し、fMRIよりもはるかに正確な情報を得ることができました。

ハイニア氏：歌に反応する神経細胞の集団があり、そのすぐ近くには、多くの音楽に広く反応する神経細胞の集団があります。fMRIの規模では、この2つのニューロンは非常に接近しているため、分離することはできません。しかし、頭蓋内記録では、さらに解像度が向上するため、この2つを分離することができたのです。

Norman-Haignereはこの研究の主執筆者で、Current Biology誌に掲載されました。

MITのMcGovern Institute for Brain ResearchとCenter for Brains, Minds and Machines（CBMM）に所属する脳認知科学准教授Josh McDermottと認知神経科学教授Nancy Kanwisherは、この研究の主執筆者です。

神経の記録

2015年の研究では、さまざまな種類のスピーチや音楽、そして指を叩く音や犬の鳴き声などの日常的な音を含む165の音のコレクションを聴いた参加者の脳を、fMRIでスキャンしました。

この研究では、fMRIデータを解析する新しい方法を考案し、音楽選択的な集団や音声に選択的に反応する集団など、異なる反応パターンを持つ6つの神経集団を特定することができたそうです。

今回の研究では、皮質脳波計（ECoG）と呼ばれる技術を用いて、より高解像度のデータを得ることを目指しました。

ECoGは、頭蓋骨内に設置した電極によって電気活動を記録することができます。

ECoGは、脳内の電気的活動を記録する技術であり、神経細胞の活動の代理として脳内の血流を測定するfMRIと比較して、より正確な脳内電気活動の画像を得ることができます。

カンウィッシャー氏：人間の認知神経科学におけるほとんどの手法では、神経表現を見ることはできません。我々が収集できるデータのほとんどは、ここに何かをする脳の一部があるということを教えてくれますが、それはかなり限定的なものです。そこで何が表現されているのかを知りたいのです。

皮質脳波検査は、侵襲的な処置なので、通常、人間には行えませんが、発作を治療するために手術を受けようとしているてんかん患者のモニターによく使われます。

患者さんは数日間にわたってモニターされ、医師は手術前に発作の発生場所を特定することができます。

その間、患者の同意があれば、特定の作業を行いながら脳の活動を測定する研究に参加することができます。

今回の研究では、MITの研究チームは、数年にわたって15人の参加者からデータを集めることができました。

これらの参加者に対して、研究者は先のfMRI研究で使用したのと同じ165個の音を流しました。

各患者の電極の位置は外科医が決めたので、聴覚入力に反応しない人もいたが、多くの人は反応しました。

研究チームは、独自に開発した統計解析により、各電極で記録されたデータを生成した神経集団の種類を推定することができました。

ハイニア氏：このデータセットにこの方法を適用したところ、歌にのみ反応する神経反応パターンが浮かび上がってきました。これは、私たちが本当に予想していなかった発見でした。ですから、このアプローチの全ポイントを正当化するもので、探そうとは思わないような新しいものを明らかにすることができます。

その曲特異的なニューロン集団は、音声や器楽のどちらにも非常に弱い反応を示したので、彼らの2015年の研究で特定された音楽と音声選択的な集団とは別物になっています。

脳の中の音楽

研究の第2段階として、研究者たちは、頭蓋内レコーディングのデータと2015年の研究のfMRIデータを組み合わせる数学的方法を考案しました。

fMRIは脳のより広い部分をカバーできるため、これにより、歌に反応する神経集団の位置をより正確に特定することができました。

McDermott氏：ECoGとfMRIを組み合わせたこの方法は、方法論的に大きな進歩です。過去10～15年の間、多くの人がECoGを行ってきましたが、記録のばらつきという問題によって、常に制限されてきました。サムは、電極記録の向上した解像度とfMRIデータを組み合わせて、全体的な反応のより良い局在を得る方法を考え出した、本当に最初の人です。

彼らが発見した歌特異的ホットスポットは、側頭葉の上部にあり、言語と音楽に選択的な領域の近くにあります。

この位置は、曲固有の集団が、脳の他の部分に情報を送ってさらに処理する前に、知覚された音程、あるいは言葉と知覚された音程の相互作用などの特徴に反応している可能性を示唆していると、研究者は述べています。

研究者らは現在、歌のどのような側面がこれらのニューロンの反応を促すのかについて、さらに詳しく知りたいと考えています。

また、MITのレベッカ・サックス教授の研究室と共同で、乳幼児に音楽選択領域があるかどうかも研究しており、これらの脳領域がいつ、どのように発達するのかについても明らかにしたいと考えています。

本研究は、米国国立衛生研究所、米国陸軍研究局、米国科学財団、NSF Science and Technology Center for Brains, Minds, and Machines、Fondazione Neurone、Howard Hughes Medical Instituteから資金提供を受けています。