新しい刺激は学習に役に立つ

練習に強い人、本番に強い人、研究者はそれぞれの人の脳を調べます。

He had practiced free kicks a thousand times beforehand, but only on his home training ground and not in a crowded and noisy soccer stadium with changing lighting conditions and changing shooting positions.

参照元：https://www.dpz.eu/en/news/news/single-view/news/mehr-variabilitaet-hilft-beim-lernen.html
– ドイツ霊長類センター Deutsches Primatenzentrum. 31.01.2023 –

ワールドカップ決勝戦の真っ最中、スタジアムは満員になり、ファンは歓声を上げ、閃光が飛び交う。

フリーキックの選手が準備を整え、駆け足でシュートを放つ。

しかし、それは自宅の練習場でのことであり、照明が変わり、シュート位置も変わる、混雑し、騒がしいサッカー場での練習ではありません。

それでも、彼はゴールを決めることができるだろうか？

ライプニッツ霊長類研究所（DPZ）とゲッティンゲンの欧州神経科学研究所（ENI）の神経科学者たちは、学習過程における刺激の変化という課題を、人間の視覚系がどのように解決しているかを調べようとしました。

それにもかかわらず、常に同じパフォーマンスでタスクを実行できるような戦略が、神経細胞レベルで存在するのだろうか？

ヒトを対象とした研究で、多くの変動刺激が必ずしも課題の学習を難しくするわけではなく、新しい条件下でより良いパフォーマンスをもたらす可能性さえあることが判明した。

これは、視覚系の高次領域にあるニューロンによって制御される汎化プロセスによって起こります。

このプロセスでは、ゴールへのシュートなど、タスクに関連する情報のみを処理します。

他の照明条件やショットの位置など、無関係な刺激にはあまり敏感ではありません。

その結果、無関係な刺激が常に変化していても、タスクを安全に遂行することができるのです。

これは、サッカー選手にとって、変化するトレーニング状況は、学習プロセスにとって有益であることを意味しています。

知覚の基本的な問題は、大きく変化する環境から関連する情報をフィルタリングすることです。

視覚系は、どの情報が一定であるかを学習することによって、これを実現していることが知られています。

例えば、私たちは、視点が変わっても、犬が犬用のジャケットを着ていても、常に犬として認識します。

このような汎化のプロセスが知覚性能を向上させ、知覚学習と呼ばれています。

この学習プロセスに、環境中の膨大な変動がどのように影響するかは、これまで不明でした。

本研究の主執筆者であるジョルジオ・マネンティ氏は話します。

マネンティ氏：本研究では、視覚系がどのように変動性という課題に対処し、なおかつ高い学習性能を達成しているのかを明らかにしたいと考えました。これまでは、変動する刺激が主に視覚学習に影響を及ぼすと考えられていました。しかし、この変動性は、学習した行動を新しい刺激に適用する般化を促進することができるため、学習にとって大きな利点となることもあります。このことは、視覚的知覚学習ではまだ示されていない。

研究者たちは、2つの仮説に基づいて研究を行った。

汎化戦略では、学習は、重要でない刺激を無視する神経細胞に依存する。

したがって、フリーキックをする人の例では、彼らはゴールのシュートに関する情報のみを処理し、異なるシュート角度やゴールまでの距離については処理しないのです。

このようなニューロンは一般に、感覚処理のより高いステップに位置する。

このような場合、学習は、タスクに関連する特徴と関連しない特徴の両方に緊密に調整されたニューロンを介して行われる。

これらのニューロンは、目前の課題に対して非常に正確な情報を提供することができる。

その際、各情報を別々に処理する。

その結果、タスクの実行は非常に正確であるが、汎化は起こらず、新しいタスクのたびに、それまで訓練されていなかった新しいニューロンが刺激を処理する必要がある。

特殊化したニューロンは、感覚処理の初期段階に位置している。

この研究では、4つのグループの被験者に、線状パターンの向きのわずかな違いを検出する訓練を行った。

関連する課題は、線の時計回り、反時計回りの傾きを検出することであった。

2つのグループそれぞれについて、実験中に線の本数が変更された。これが「無関係刺激」である。

マネンティ氏：訓練中に線の数を変えることで、実際の課題のパフォーマンスをより一般化できることがわかりました。線の本数を変えても、被験者は線模様の向きの違いを認識することができました。また、全く新しい線パターンや、訓練時には現れなかった画面上の新しい位置を示されても、課題を遂行することができました。このように、変動性の増大は、学習過程の劣化を招くのではなく、むしろ学習成績の般化、さらには向上をもたらすものであった。

人工深層神経回路網の訓練プログラムのコンピューターシミュレーションで、汎化戦略の推測を確認しました。

DPZの知覚・可塑性研究グループおよびENIの神経回路・認知グループの責任者、Caspar Schwiedrzik氏は話します。

Schwiedrzik氏：全体として、この研究は、訓練の種類が脳の学習戦略に影響を与えることができ、したがって、おそらく、脳内で学習が行われる場所にも影響を与えることができることを示しています。”と、”視覚のトレーニングは、サッカーのトレーニングの原理と似ているとも言えます。どちらも、トレーニングのバリエーションを増やすことで、新しいチャレンジにうまく対応できるようになるのです。