腹側視覚皮質における顔固有の活動と意識的な顔認識との関連
顔の特異的活動と意識的な顔認知の関係の探究
はじめに
顔の認知は基本的な認知プロセスであり、人間が環境内の顔を効果的に識別し、より良い社会的相互作用を行うことを可能にします。広範な研究により、脳の腹側視覚皮質に顔刺激に対して顕著な活動増加を示す特定の領域が識別されています。しかし、この顔特異的な感応が顔の認知（例えば、主観的認知）と直接関連しているかどうかは依然として不明です。異なる認知状態における神経活動を比較することで、これらの信号が意識的な顔認知において果たす役割を直接証明することができます。
本研究の主な目的は、腹側視覚皮質における顔特異的活動が意識的な顔認知と関連しているかどうかを探究することです。そのために、研究者たちは人間の頭蓋内脳波（electrocorticography、ECoG）技術を使用しました。これにより、脳の電気生理学的反応の直接測定が可能となり、高い空間および時間分解能が得られました。この方法により、研究者たちは被験者が顔を「見た」（”seen”条件）と「見なかった」（”unseen”条件）ときの神経活動を比較し、これらの活動と顔認知のパフォーマンスとの関連を探究しました。
著者および論文発表背景
この論文はWenlu Li、Dan Cao、Jin Li、Tianzi Jiangなどの研究者によって共同執筆されました。彼らはそれぞれ中国科学院自動化研究所Brainnetomeセンター、中国科学院大学人工知能学院、首都師範大学心理学院、浙江実験室、永州中央病院小湘脳健康研究所などの機関に所属しています。この論文は2024年11月25日に「Neurosci. Bull.」誌に掲載されました。
研究プロセス
データソースと記録
本研究で使用された人間の脳データは、公開データベース（https://searchworks.stanford.edu/view/zk881ps0522）から取得され、自発的に参加したてんかん患者から提供されたECoG記録データが含まれています。これらの患者はシアトルのHarborview病院での臨床モニタリング中に実験に参加しました。研究過程で使用された機器には、Neuroscanのsynamps2増幅器と脳波刺激・収集プログラムBCI2000が含まれます。被験者は顔と家の画像を観察しながら、視覚タスクによって注視を維持しました。
実験デザイン
実験には「faces_basic」と「faces_noisy」の2つのタスクが含まれます。「faces_basic」タスクでは、被験者はランダムな順序で表示されるグレースケールの人の顔と家の画像（各画像400ミリ秒表示）を観察し、単純なターゲット（逆さまの家）を報告しました。「faces_noisy」タスクでは、被験者は顔検出タスクを実行し、画像には「位相撹乱」法によってノイズが追加され、画像の知覚閾値がテストされました。
統計分析とデータ前処理
実験条件間の有意差はt検定、共分散分析（ANCOVA）、およびノンパラメトリッククラスターベースの置換検定によって分析されました。ECoGデータの前処理には、ノイズ除去、再参照、ベースライン補正、およびMorletウェーブレットを使用した時間周波数分解が含まれ、広帯域ガンマ活動（BGA）のパワースペクトル値が抽出され、統計分析が行われました。
電極位置と顔選択性部位の定義
データベースとBrainNet Viewツールボックスを通じて、電極は腹側視覚皮質内に位置付けられました。刺激後100〜300ミリ秒の間に顔画像のBGAが有意にベースラインおよび家の画像よりも高い場合、その電極は「顔選択性」と定義され、その後の分析に8つの顔選択性部位が含まれました。
結果
行動結果
被験者の異なるノイズレベルでの顔検出精度はLogistic（S字型）の変化を示し、S字型関数を使用して行動測定曲線をフィッティングし、知覚閾値を43.8%と決定しました。この範囲内で行動測定曲線は急激に変化し、知覚の遷移を示しています。
顔特異的活動の関連性
ノイズレベルでの「seen」条件と「unseen」条件のBGAを比較した結果、「seen」条件での顔特異的BGAが「unseen」条件よりも有意に高いことが示されました。さらに、最近傍分類アルゴリズムを使用して顔が見えたかどうかを予測し、その精度はランダムな推測や置換分類の精度を上回りました。情報伝達の方向性分析は、顔知覚状態での情報転送が有意に増加したことを示し、腹側視覚皮質が顔認知において果たす役割を支持しています。
顔特異的活動と知覚パフォーマンスの関連性
BGAと顔知覚パフォーマンス（反応時間と検出精度）の間の部分相関分析を行った結果、BGAピーク遅延と被験者の反応遅延の間に有意な正の相関関係が見られ、BGA振幅と顔検出精度の間にも有意な正の相関関係が見られました。両者ともノイズレベルで顔検出精度の違いによって変化する有意な傾向を示しました。
考察
研究結果は、腹側視覚皮質における顔特異的活動が人間の意識的な顔認知と関連していることを示しています。この発見は顔認知の神経生理学的メカニズムの理解を支持しています：ECoGデータの分析を通じて、顔を見たときの脳活動の変化が明らかになりました。特にBGAの増加と信頼性の高い神経反応は、腹側視覚皮質における高レベルの抽象的な顔表現の形成を反映しています。これは将来の顔特異的活動のさらなる探究の方向性を提供しています。
現在の研究は顔認知の結果のみを探究していますが、将来の研究ではさまざまな対象カテゴリーにわたる「見えた」と「見えなかった」画像のメカニズムをさらに探究することができます。また、本研究は高次視覚皮質が視覚情報を処理する上で果たす重要な役割を強調し、顔認知の神経メカニズムを包括的に理解するための基礎を築いています。
結論
精密な実験設計と厳密なデータ分析を通じて、本研究は腹側視覚皮質における顔特異的活動と意識的な顔認知との密接な関連を成功裏に明らかにし、顔認知の神経生理学的メカニズムの理解に新たな洞察を提供しました。