脳内でイメージするとき、脳波リズムの位相差が情報を振り分ける-北大など

北海道大学(北大)などは3月13日、ヒトが脳内でイメージ操作するときに、シータ波とアルファ波という異なる周波数の脳波リズムの位相差が情報の振り分けを行っていることを発見したと発表した。

同成果は、筑波大学システム情報系の川崎真弘助教、北海道大学の秋山正和助教、九州大学の手老篤史准教授、東北大学の西浦廉政教授、理化学研究所の山口陽子チームリーダーらの研究グループによるもので、3月7日付けの英国科学誌「Scientific Reports」に掲載された。

ヒトには、さまざまな状況下で多様な情報のなかから必要な情報を柔軟に選択し思考する、作業記憶という脳メカニズムが備わっている。従来の研究では、作業記憶時に活動する脳部位間にさまざまな周波数の脳波リズムで同期するネットワークが存在するという報告があったが、これらの脳波リズム間のメカニズムは不明となっていた。

同研究グループは今回、14名の健常者に対し、視覚作業記憶課題と聴覚作業記憶課題時の脳波測定実験を行い、両課題時の脳波解析結果を比較検討した。なお視覚作業記憶課題は、PCディスプレイ上に提示された5×5のマス目にある円の位置を記憶し、その後に提示される矢印の方向に従って、頭の中で繰り返しイメージ操作を行うというもの。聴覚作業記憶課題は、イヤホンから提示される数字を記憶し、その後に提示される数字を、頭の中で繰り返し足し算を行うというものであった。

このときの脳波データ解析の結果より、両課題とも前頭のシータ波とアルファ波の位相が同期することが明らかになった。また、視覚と聴覚作業記憶課題ではこのシータ波とアルファ波との間には位相差があることがわかった。

そこで、同研究グループは、シータ波とアルファ波の振動数比に着目し、位相振動子を用いた数理モデルを作成。シータ波とアルファ波は2つの作業記憶課題時において位相差を持つが、数理モデルではそれらを簡単化し、三角関数の波として入力信号とした。入力信号は数理モデル内の位相振動子の働きにより、増幅したり変調されたりするが、特定の位相差が入力された場合にのみ、内部の状態変数が励起されることがわかった。この励起は三角関数の直行関係からある程度説明ができるものだという。

また、さまざまな被験者のデータを統計的に処理したところ、シータ波とアルファ波の関係をマップにした実験結果と、今回作成した数理モデルによる理論曲線が定性的に一致した。したがって、2つの作業記憶課題時における位相差は作業記憶課題時に重要な働きをしていることが実験と理論の両面から理解できることが示されたといえる。

今回、ヒトの複雑な認知機能はさまざまな脳波リズムの協調によって実現されている可能性が明らかになったことから、同研究グループは、ヒトの脳活動から検証された振動子モデルによる、柔軟な思考を実現する脳型コンピュータの開発が期待されると説明している。

視覚作業記憶操作課題時と聴覚作業記憶課題時の脳内の同期現象のイメージ図。左上のシータ波とアルファ波の位相関係が両課題で異なる (出所:筑波大Webサイト)



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