研究背景

人間の感覚運動学習（sensorimotor learning）と記憶メカニズムは、長らく神経科学分野の研究の焦点となってきました。ほとんどの関連研究は視覚空間作業領域と肢体運動に集中しており、例えば腕の動きや物をつかむ動作などが挙げられます。これらの研究は、感覚運動記憶がどのように形成され、保存され、取り出されるのかを科学者が理解するのに役立ってきました。しかし、人間にはもう一つの独特な能力があります——言語の生成と知覚です。言語の生成には複雑な運動制御が関わっており、このプロセスにおいて聴覚フィードバックは重要な役割を果たします。肢体運動とは異なり、言語運動システムの作業領域は視覚空間作業領域から独立しており、これが言語-聴覚システムにおける感覚運動記憶の研究を独特で重要な研究経路としています。

それにもかかわらず、言語-聴覚システムがどのように感覚運動記憶を保存し、取り出すかに関する研究はまだ非常に限られています。具体的には、言語-聴覚システムにおける記憶は持続性を持つのか？記憶の獲得方法（例えば突然または徐々に導入される聴覚フィードバックの変化）がその保持に影響を与えるのか？記憶の取り出しは特定のフィードバック条件に依存するのか？これらの問題はまだ十分に解明されていません。これらの問題を解決するために、Yale UniversityとMcGill Universityの研究チームは、聴覚フィードバックを操作する方法を通じて、人間の言語-聴覚システムにおける感覚運動記憶の持続性、獲得方法の敏感性、および記憶取り出しの依存性を探る研究を設計しました。

研究チームと発表情報

本研究はNishant RaoとDavid J. Ostryによって共同で行われ、それぞれYale UniversityのYale Child Study CenterとMcGill Universityの心理学部に所属しています。研究論文は2024年12月31日に「Journal of Neurophysiology」（J Neurophysiol）に初めて掲載され、2025年2月10日にオンラインで公開されました。

研究デザインと方法

研究プロセス

研究は二つの段階（Visit 1とVisit 2）に分かれており、主な目的は参加者が新たに学習した言語-聴覚記憶の持続性と取り出し条件を評価することです。以下に具体的な研究プロセスの詳細を紹介します。

第一段階（Visit 1）

1. ベースラインテスト（Baseline Trials）

   • デザイン：参加者は画面上に表示された偽単語（例：「bep」、「dep」、「gep」）を読み上げ、同時にヘッドホンを通じて自分の声を聞きます。
     
   • サンプル数：計30回のベースラインテストが行われ、そのうち3回はノイズフィードバック試験（noise feedback trials）として、聴覚フィードバックがない状況での参加者の音声出力を評価するために挿入されました。
     
   • データ処理：Praatソフトウェアを使用して音声データから第一および第二フォルマント周波数（F1とF2）を抽出しました。

2. 学習段階（Learning Trials）

   • デザイン：210回の試験中、研究者は参加者が聞く音声の第一フォルマント周波数（F1）を徐々にまたは突然に30％増加させるよう操作しました。
     
   • サンプル数：72名の若年成人（男性21名、平均年齢23.94歳）が実験に参加しました。
     
   • データ処理：AudapterとMATLABを使用して音声信号をリアルタイムで処理しました。

第二段階（Visit 1）

1. 記憶テスト（Retention Trials）
   
   • デザイン：参加者は8時間または24時間後に研究室に戻り、F1の擾乱を30％に保ったまま再び210回の試験を行いました。
     
   • データ処理：F1とF2の変化を分析し、記憶の保持状況を評価しました。

データ分析

研究ではBurgアルゴリズムを用いて音声データからF1とF2周波数を抽出し、データを3つの実験グループに分けて統計分析を行いました。多変量線形回帰と分散分析（ANOVA）を通じて、異なる条件下での記憶保持状況を評価しました。

主要な結果と論理的関係

1. 記憶の持続性

   • 結果：研究では、新たに学習した言語-聴覚記憶が8時間後および24時間後に70％の保留率を示すことが分かりました。この記憶保持は獲得方法（突然または徐々）に影響されませんでした。
     
   • 支持データ：音声フィードバックを再導入すると、参加者はすぐに完全に適応した状態に戻り、記憶が消失したわけではなく、特定のフィードバック条件に依存していることが示されました。

2. 記憶取り出しの依存性

   • 結果：聴覚フィードバックがない場合、参加者は以前の学習成果を保持していないように見えましたが、音声フィードバックを再導入するとすぐに完全な適応を示しました。
     
   • 支持データ：ノイズフィードバック試験における記憶保持率は音声フィードバック試験に比べて著しく低く、記憶の取り出しが音声エラーフィードバックの存在に依存していることが示されました。

3. 音響空間の変化

   • 結果：研究では、新たに学習した音声が音響空間内の新しい領域に安定することを発見しました。これは既に学習された近隣の母音と重ならない領域です。
     
   • 支持データ：コントロール実験を通じて、研究者は音素/ɛ/が学習後に方向と大きさの両方で重要な変化を遂げたことを確認しました。

結論と意義

本研究は、人間の言語-聴覚システムにおける感覚運動記憶が顕著な持続性を持ち、しかも獲得方法に影響されないことを示しています。記憶の取り出しは音声エラーフィードバックの存在に依存しており、適応学習と日常的な音声パターンが感覚運動記憶に並列して存在することを示唆しています。さらに、新たに学習した音声が音響空間内の新しい領域に安定することは、記憶の持続性に関連している可能性があります。

この研究は、言語-聴覚システムにおける感覚運動記憶に対する新たな理解を提供するだけでなく、言語運動学習とその神経系応用における今後の研究の新たな方向性を開拓するものです。特に、神経変性疾患や言語障害を持つ患者のリハビリテーション研究において、これらの発見は重要な応用価値を持つ可能性があります。

研究のハイライト

1. 記憶の持続性：研究では、新たに学習した言語-聴覚記憶が24時間後に70％保持されることを示しました。この発見はこの分野の研究ギャップを埋めるものです。
   
2. 記憶取り出しの依存性：研究では、記憶の取り出しが音声エラーフィードバックの存在に依存することが明らかになり、このメカニズムは肢体運動記憶の研究と対照的です。
   
3. 音響空間の変化：新たに学習した音声が音響空間内の新しい領域に安定することは、音声運動の適応性を理解する新たな視点を提供しています。