脳が記憶と知覚を区別する方法

記憶と知覚は全く異なる経験のように思われ、神経科学者たちはかつて、脳がそれらを異なる方法で生み出すと確信していました。しかし1990年代、神経画像研究によって、感覚知覚時にのみ活動すると考えられていた脳の領域が、記憶の想起時にも活動していることが明らかになりました。

「記憶の表象が知覚の表象と本当に異なるのかという疑問が浮上し始めました」と、ボストン大学神経科学准教授で視覚神経科学研究所所長のサム・リング氏は述べた。例えば、美しい森の空き地に関する記憶は、以前それを視覚化することを可能にした神経活動の単なる再現なのだろうか？

「感覚皮質が関与しているかどうかという議論から、『ちょっと待ってください、何か違いがあるのですか？』という議論へと大きく揺れ動いています」と、国立精神衛生研究所で学習・可塑性ユニットを率いる研究者、クリストファー・ベイカー氏は述べた。「振り子は一方から他方へと揺れ動いていますが、あまりにも大きく揺れ動いています。」

記憶と経験の間には神経学的に非常に強い類似性があるとしても、それらが全く同じであるはずがないことは分かっています。「人々は両者を混同しません」と、コロンビア大学のポスドク研究員であり、最近のNature Communications誌に掲載された論文の筆頭著者であるセラ・ファヴィラ氏は述べています。彼女のチームの研究は、記憶と画像の知覚が神経レベルでどのように異なる方法で構築されるか、少なくとも一つの方法を特定しました。

ぼやけた部分

私たちが世界を見るとき、その視覚情報は網膜の光受容体を通って視覚野に流れ込み、そこで異なるニューロン群によって順次処理されます。それぞれのニューロン群が画像に新たなレベルの複雑さを加えます。単純な光点は線や輪郭、そして形へと変化し、最終的に私たちが見ているものを体現する完全な情景へと変化します。

新たな研究で、研究者たちは視覚処理において非常に重要な特徴、すなわち物体が空間内のどこに位置しているかという点に焦点を当てました。画像を構成するピクセルと輪郭は正しい位置になければなりません。そうでなければ、脳は私たちが見ているものを、混乱した、認識できないほど歪んだものにしてしまいます。

研究者たちは、参加者にダーツボードに似た背景にある4つの異なるパターンの位置を記憶するよう訓練しました。それぞれのパターンはボード上の特定の位置に配置され、ボード中央の色と関連付けられていました。参加者は、この情報を正しく記憶できているかを確認するためにテストを受けました。例えば、緑の点を見たら、星形が左端にあると認識できる、といった具合です。そして、参加者がパターンの位置を認識し、記憶するにつれて、研究者たちは彼らの脳活動を記録しました。

脳スキャンにより、研究者たちはニューロンがどのように物の位置を記録し、その後どのように記憶するのかを解明することができました。それぞれのニューロンは、左下隅など、視野の広がりの中の特定の空間、つまり「受容野」に反応します。ファヴィラ氏によると、ニューロンは「その小さな場所に何かを置いた時にのみ発火します」とのことです。空間内の特定の場所に同調したニューロンは密集する傾向があるため、脳スキャンでその活動を容易に検出できます。

視覚知覚に関するこれまでの研究では、処理の初期段階である低位層のニューロンは受容野が小さく、後期段階である高位層のニューロンは受容野が大きいことが明らかにされています。これは、高位層のニューロンが多数の低位層ニューロンからの信号を集約し、視野のより広い領域から情報を取り込んでいるため、理にかなっています。しかし、受容野が大きくなるということは空間精度が低下することも意味し、地図上で北米の上に大きなインクの塊を置いてニュージャージー州を示すような効果を生み出します。つまり、知覚過程における視覚処理とは、小さく鮮明な点がより大きくぼやけながらもより意味のある塊へと変化していく過程なのです。

しかし、ファビラ氏とその同僚が、視覚皮質のさまざまな領域で知覚と記憶がどのように表現されるかを調べたところ、大きな違いを発見した。

被験者が画像を想起するにつれ、視覚処理の最高段階における受容野は知覚時と同じ大きさであったが、その後の段階を通して、心的画像を描く際にも受容野の大きさは縮小したままであった。想起された画像は、どの段階においても大きくぼやけた塊であった。

これは、画像の記憶が保存された際に、その最高レベルの表現のみが保持されたことを示唆しています。その記憶を再び体験した際、視覚皮質のすべての領域が活性化されましたが、その活動は、より精度の低いバージョンを入力として得たものでした。

つまり、情報が網膜から来るのか、それとも記憶が保存されている場所から来るのかによって、脳はそれを全く異なる方法で処理するのです。元の知覚の精度の一部は記憶に蓄えられる過程で失われ、「魔法のように取り戻すことはできません」とファヴィラ氏は言います。

この研究の「本当に素晴らしい」点は、被験者が見たものを報告するのに頼るのではなく、研究者が記憶に関する情報を脳から直接読み取ることができたことだと、ダートマス大学のポスドク研究員アダム・スティール氏は述べた。「彼らが行った実証的研究は、本当に傑出していると思います。」

機能かバグか?

しかし、なぜ記憶はこのように「ぼやけて」想起されるのでしょうか？その答えを探るため、研究者たちは、受容野の大きさが徐々に大きくなるニューロンの階層構造を持つ視覚皮質モデルを作成しました。そして、各階層に逆順に信号を送ることで、想起記憶をシミュレートしました。脳スキャンと同様に、受容野が最も大きい階層で観察された空間的なぼやけは、他の階層にも及んでいました。これは、記憶されたイメージがこのように形成されるのは、視覚系の階層構造によるものだとファヴィラ氏は述べています。

視覚系が階層的に配置されている理由の一つは、物体認識を助けるためだという説です。もし受容野が小さければ、脳は視界にあるものを理解するためにより多くの情報を統合する必要があり、エッフェル塔のような大きなものを認識するのが難しくなる可能性があるとファヴィラ氏は言います。記憶イメージが「ぼやけている」のは、「物体認識などに最適化されたシステムを持つ結果」なのかもしれません。

しかし、「それが機能なのかバグなのかは明らかではない」と、ミネソタ大学の准教授トーマス・ナセラリス氏は述べた。彼は今回の研究には関与していないが、2020年の研究で、脳内で知覚と記憶は非常に異なって見えるという同様の結論に達している。彼は、この違いが知覚と記憶を区別するのに役立つかもしれないという点で有利であるという考えを支持している。「心の中で情景イメージの詳細と精度をすべて把握している人は、簡単に混乱してしまう可能性がある」と彼は述べた。

ぼやけた画像には、不要な情報の保存を防ぐ効果もあるかもしれない。重要なのは、各ピクセルが視野のどこに位置しているかを覚えることではなく、そのピクセルが家族や友人のものであることかもしれない、とファビラ氏は述べた。

「視覚系が、非常に詳細で鮮明かつ正確なイメージを生成できないわけではありません」とナセラリス氏は述べた。例えば、睡眠と覚醒の間の「催眠状態」にあるときなど、非常に鮮明な視覚イメージを報告している人もいる。脳は「起きている時間帯にはそうしたことをしない傾向がある」のだ。

ファヴィラ氏と彼女のチームは、形や色といった視覚記憶の他の側面でも同様の処理が行われるかどうかを解明したいと考えています。特に、こうした知覚と記憶の違いが行動にどのように影響するかを解明することに熱心に取り組んでいます。

知覚と記憶は「異なるものであり、それらに対する私たちの経験も異なります。そして、その違いを正確に突き止めることは、記憶がどのように表現されるかを理解するために重要になるでしょう」とファヴィラ氏は述べた。その違いは「データの中にずっと潜んでいた」のだ。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。