神経生理学研究：作業記憶タスクにおける方位識別の神経生理学的研究

研究背景

環境の空間方位（および方角）を認識し、記憶することは、視覚的空間行動の重要な部分です。これらの情報を正確に保存し、思い出すことは、空間内での位置特定を助け、急激な変化に適応的に反応するのに役立ちます。しかし、方位記憶については広範な研究があるにもかかわらず、これらの研究は主に機能的磁気共鳴画像法（fMRI）を通じて刺激を正確に描写することに集中しています。同時に、前頭葉新皮質の個別の領域が関与するという断片的な情報もありますが、現行の環境変化と記憶中の方位情報の比較段階では、体系的な研究がまだ不足しています。このような操作のメカニズムを理解することは、視覚システムが視覚的環境の基本特性の迅速な変化をどのように認識するかを理解する上で重要であるだけでなく、これらの情報を安定的に維持するための脳の参照システムを明らかにすることにも繋がります。

研究出典

本研究論文は《Neurophysiological Study of Orientation Discrimination in a Working Memory Task》と題され、E.S. Mikhaylova及びN.Yu. Gerasimenkoによって執筆されました。彼らはロシア科学アカデミーの高等神経活動および神経生理学研究所 (Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences) に所属しています。この論文は2023年に《Human Physiology》誌（vol. 49, suppl. 1, pp. S1–S12）に掲載されました。

研究方法

研究対象

実験には33名の被験者（16名男性、17名女性）が参加し、平均年齢は22.57±0.46歳でした。彼らは全員正常視力を持ち、全ての被験者はインフォームド・コンセントに署名し、本研究所の倫理委員会の承認を得ていました。

刺激

実験では白と黒の高コントラストの正弦波格子刺激を使用し、線の傾斜角度はそれぞれ0°（水平）、90°（垂直）、および45°でした。各刺激のサイズは5.5度です。新しい情報と短期記憶に保存された情報の比較状況をシミュレートするために、被験者にランダムな順序で異なる方位の格子ペアを提示しました。ペアの格子は、方位が完全に一致する（0°–0°、90°–90°、および45°–45°）場合と、方位が一致しない（0°–90°、0°–45°、90°–0°、90°–45°、45°–0°、45°–90°）場合の6種類がありました。

実験手順

実験中、被験者は暗くかつ防音された部屋の快適な椅子に座り、ディスプレイから120センチメートルの距離に位置しました。刺激はE-Prime 2.0ソフトウェアを使用して画面上に提示されました。各シーケンスは以下のイベントで構成されていました：100msの緑色の点信号、黒い固定点（ランダムな持続時間1500–1700ms）、100msの基準刺激、その後の1500–1800msの間隔（固定点あり）、100msのテスト刺激、および3000msの間隔（固定点あり）。各ペアの基準刺激とテスト刺激はそれぞれ30回ずつ提示され、実験全体で270ペアの刺激が含まれ、所要時間は約30分でした。実験の中間に5–7分間の休憩がありました。

被験者は指示に従い、基準刺激とテスト刺激の方位が一致しているかどうかを判断し、対応するボタンを押して、回答の正確性と応答遅延を記録しました。

EP（誘発電位）の登録と分析

Geodesics社の128チャネルの脳波（EEG）記録装置を使用し、HydroCel Geodesic Sensor Netヘッドギアを用いて脳波を記録しました。脳波データはNetstationソフトウェア4.5.4バージョンで処理され、信号はフィルタリング（0.5–45Hz）の後、1300msのセグメントに分割され、それぞれにテスト刺激期間中の300msのベースラインが含まれました。眼球運動や筋電活動によるアーチファクトを含むセグメントは削除し、各被験者の誘発電位（EP）を平均計算しました。

分析は主に脳波上の尾側皮質領域のP100およびN150成分に集中していました。これらの成分は早期に現れ、感覚信号処理に関与しています。

分析

各誘発電位成分の異なる脳領域（後頭葉、頭頂葉、側頭葉）および前頭前野領域のN240成分の変化を多要因ANOVA分析を用いて検討しました。対応の有無（基準刺激とテスト刺激の一致/不一致）における誘発電位成分の振幅を繰り返し測定ANOVA（RM ANOVA）で統計分析し、Greenhouse–Geisser修正を適用し、複数比較にはNewman-Keuls補正を使用しました。

研究結果

心理評価指標

反応時間（RT）と正確率は、テスト方位と基準方位が一致しない場合に反応時間は有意に延長し、正確率はわずかに向上することを示しました。これは他の文献の結果と一致しています。特に、方位不一致の場合のRTは一致の場合よりも高く、特にテスト方位が垂直の場合に顕著でした（p < 0.001）。

P100およびN150成分の分析

感覚信号処理において、後頭葉のEP成分であるP100は一致および不一致の場合に有意に増加しました。さらに、頭頂葉および側頭葉の領域でも、P100は有意に増加しており、より高次の視覚処理レベルが比較操作に関与していることを示しています。

前頭前野におけるN240の挙動

一致状況と比較して、前頭前野にはN240成分の負電位振幅が不一致の場合に有意に増加しました（p < 0.0005）。これは、前頭前野が現在の信号と記憶信号の差異に対して高度に敏感であることを示しています。

分布源のモデリング

高密度記録された誘発活動およびダイポールモデリング法により、前頭葉、後頭葉、頭頂葉、側頭葉の複数の脳領域におけるダイポール電流密度に有意な差異があることが示されました。これにより、これらの領域が早期の感覚分析段階だけでなく、後期の認知処理段階でも重要な役割を果たしていることが示されました。

討論および結論

本研究は、EEGを記録することにより、脳が現在の信号と記憶信号を処理し比較する際、早期の感覚検出は主に後頭葉領域で発生し、同時に頭頂葉および側頭葉の領域も関与することを示しました。また、最終的に不一致の情報が前頭前野に現れ、後期の認知処理段階で顕著な差異を示します。研究結果は、異なる脳領域間の相互作用と情報伝達のメカニズムを示し、前頭葉-後頭葉領域の協力の重要性を強調しています。これらの発見は、短期記憶メカニズムに関する理論に実証的な支持を提供するだけでなく、前頭前野および視覚領域間の機能的相互作用を探求する重要な研究方向を示唆しています。

このような研究は、視覚作業記憶およびその神経メカニズムについての理解をさらに深めるものであり、将来の認知トレーニング方法の改良や新型の脳-コンピュータインターフェース技術の開発に役立つものです。