脳部構造が視覚と触覚の感知を事前に予測する研究結果

科学者は、微小な中脳構造が視覚と物理的感覚が発生する前に予測を開始することを発見した。これは、大脳が単に感覚入力を待つのではなく、今後起こる事象を予測するという見解と一致する。麻省理工学院とノースイースタン大学の新しい研究が『Nature Neuroscience』に発表され、感覚情報を処理する大脳の領域がこれらの即将到来の刺激に備えるのに役立つことを示唆している。研究者たちは『Medical Xpress』に対し、上丘脳は「最も研究されている脳幹構造の一つ」と見なされており、被験者が画像を見たり物理的な圧力を感じる前に明確な活動パターンを示すことを述べた。

研究者はさらに、この研究が神経科学における既知の概念である予測処理に基づいていることを説明した。大脳は単に入力を待つのではなく、常に予測と準備を行っている。研究者は「事後反応はコストがかかる」と指摘した。

研究方法と参加者

研究者は超高場7 Tesla機能的磁気共鳴画像法（fMRI）を使用して80名の成人を調査した。この技術を利用して、彼らは約1ミリメートルの解像度で上丘脳の活動を観察した。参加者の半分は画像を視聴し、もう半分は左親指に機械的圧力を感じた。研究者は『Medical Xpress』に対し、これらの方法が二つの質問に駆動されていると述べた。「私たちは二つの質問に答えたい。まず、人間の上丘脳は動物研究が示すように組織されているのか、上層は視覚に集中し、下層は触覚に集中しているのか？」

「次に、特定の感覚刺激が間もなく来ると予期されるとき、どのように反応するのか？」刺激の前に、これらの参加者は形に基づく意思決定タスクを実行した。研究者はその後、二つの活動状態間の変化を比較した。視覚刺激は上丘脳の表層でより多くの活動を生じ、触覚はより深い層でより多くの活動を引き起こした。「さらに重要なのは、刺激が来る前に、人々が単に画像や触覚を期待しているときにも、この層特異的なパターンが現れることだ。」と『Medical Xpress』は報じている。

予測処理の神経メカニズム

研究は、予期される感覚体験の性質が上丘脳の活動パターンにおいて異なることを指摘している。研究者は機械学習を使用して、大脳の活動パターンが視覚と触覚体験を区別できるかどうかを確認した。彼らは予期と実際の刺激の間に類似のパターンを観察し、初期の脳スキャンの発見を裏付けた。研究者はまた、丘脳の二つの感覚処理領域でこれらの予測反応を検出し、予期が大脳皮質の下にある複数の構造に関与していることを示した。この研究は神経科学における伝統的な理解に挑戦している。通常、予測は「皮質での高次機能」と見なされる。

しかし、この研究は、情報を皮質に伝達する深層脳構造が、今後の入力に備えるためのより広範なネットワークの一部であることを示している。研究者は、スキャンプロセス中の眼球運動の記録が欠如していることや不確実性など、いくつかの制限を認めている。観察された活動の一部は、実験自体に関連する一般的な期待に過ぎない可能性がある。それにもかかわらず、これらの発見は上丘脳が予測処理に関与していることを示しており、単に今後の情報に反応するだけではない。「要するに、この研究は、皮質下の核が感覚入力の受動的な受信者ではなく、外部世界の感覚入力に反応し、予測も行っていることを示している。」

研究者は研究の中でまとめた。

上丘脳の感知予測における役割

この研究は、上丘脳が感知過程において能動的な役割を果たしていることを明らかにし、感覚入力が単に皮質で処理されるという従来の考えを覆した。研究は、上丘脳が今後の刺激に反応するだけでなく、予測にも関与していることを示しており、これは大脳が感覚情報を処理する方法を理解する上で重要な意義を持つ。この発見は神経科学の分野に深遠な影響を及ぼすだけでなく、将来の人工知能や機械学習における応用、特に人間の感知過程を模倣することにおいてもインスピレーションを与える可能性がある。