バインディングの問題

注意は、どの現象が結びついていて、認識され、記憶されているかを判断する上で非常に重要です。^{[ 3 ]}この特定の結合問題は一般に時間的同期と呼ばれます。最も基本的なレベルでは、すべての神経発火とその適応は、タイミングへの特定の考慮に依存しています（Feldman、2010）。はるかに大きなレベルでは、大規模な神経活動の頻繁なパターンは、主要な診断および科学的ツールです。^{[ 4 ]}

神経科学者ピーター・ミルナーが1974年の論文「視覚的形状認識のモデル」で言及した一般的な仮説は、個々の物体の特徴が皮質内の異なるニューロンの活動の同期によって結合/分離されるというものである。 ^{[ 5 ] [ 6 ]}同期による結合（BBS）と呼ばれるこの理論は、刺激が提示されたときに脳の異なる領域にあるニューロンの一時的な相互同期によって起こると仮定されている。^{[ 7 ]}この考えの経験的検証は、フォン・デア・マルスブルクが特徴結合は細胞の発火率だけではカバーできない特別な問題であると提案したときに明らかになった。^{[ 8 ]}しかし、モジュールが複数の特徴を共同で符号化し、特徴結合の問題に対抗していることが明らかになったため、この理論は問題ではない可能性があることが示されている。^{[ 9 ]}最初の問題「協調に関する一般的な考察」に関しては、時間的同期が最も一般的であることが示されています。これは、周囲を取り込む効果的な方法であり、グループ化やセグメンテーションに適しているためです。多くの研究は、リズミカルな同期発火と特徴結合の間には確かに関係があることを示唆しています。このリズミカルな発火は、通常40～60ヘルツ付近のガンマ帯域の神経体電位の固有の振動に関連しているようです。 ^{[ 10 ]}分離オブジェクト特徴結合問題の解決におけるリズミカルな同期の役割に関する肯定的な議論は、神経生理学者のウルフ・シンガーによってまとめられています。^{[ 11 ]}視覚刺激に対する反応の一部として神経発火の同期に関する広範な証拠があることは確かです。

しかし、異なる研究室からの知見の間には矛盾がある。さらに、神経科学者のマイケル・シャドレンとJ・アンソニー・モブション^{[ 6 ]}やビョルン・メルカー^{[ 12 ]}を含む最近の査読者の多くは、この理論が維持できない可能性があるという懸念を表明している。神経科学者のアレクサンダー・ティーレとジーン・ストーナーは、2つの動くパターンの知覚的結合は、2つのパターン（一貫性のある格子模様と一貫性のない格子模様）に反応するニューロンの同期に影響を与えないことを発見した。^{[ 13 ] [ 14 ]}一次視覚野では、ドンらは、同期は結合条件とは無関係であるため、2つのニューロンが同じ形状の輪郭に反応しているか、異なる形状に反応しているかは、神経同期に影響を与えないことを発見した。

シャドレンとモブション^{[ 6 ]}は、時間的同期による分離結合の考え方の理論的および経験的根拠の両方について一連の疑問を呈している。皮質ニューロンがこの精度で同期入力に選択的であるという生物物理学的証拠はなく、これほど正確な同期を伴う皮質活動はまれである。同期はエンドルフィン活動にも関連している。正確なスパイクタイミングは視覚的結合のメカニズムを説明するために必要ではなく、特定のニューロン相互作用のモデリングでのみ一般的であることが示されている。対照的に、アニル・セス^{[ 15 ]}は、異なる位相で発火する複数の独立した広範囲に分布した神経回路を示す人工脳ベースのロボットについて説明し、特定の周波数での規則的な脳振動が結合の神経メカニズムに不可欠であることを示している。

認知心理学者のリアット・ゴールドファーブとアン・トライスマンは、いくつかの特徴を共有し、他の特徴を共有しない複数の対象物がある場合、同期のみによる結合には論理的な問題が生じるようだと指摘している。^{[ 16 ] [ 17 ]}せいぜい同期は他の手段によって支えられる分離を促進することができる（物理学者で神経科学者のクリストフ・フォン・デア・マルスブルクが認めているように）。^{[ 18 ]}

神経心理学的研究の多くは、色、形、動きを「物体の特徴」として関連付けることは、単にリンクや「結合」の問題ではなく、関連付けを考える際に要素をグループに結合しないことは非効率的であることを示しており、^{[ 19 ]}感覚データが処理の初期段階で（時には誤って）想定された物体の特徴として扱われることを保証するトップダウンフィードバック信号の広範な証拠を提供している。ピリシン^{[ 20 ]}はまた、脳が、色などの特徴が変化しても継続的な存在が帰属される特徴が割り当てられる物体を事前に想定しているように見えることを強調している。これは、視覚統合が時間とともに増加し、視覚オブジェクトにインデックスを付けることが視覚概念の基盤となるためである。

視覚的特徴結合問題とは、なぜ私たちは赤い円と青い四角形を、青い円と赤い四角形と混同しないのかという疑問を指します。視覚的特徴結合に関わる脳内の回路の理解は深まっています。様々な視覚的特徴を別々の皮質領域で正確に符号化するためには、結合プロセスが必要となります。

トレイスマンは、特徴統合理論において、特徴間の結合の最初の段階の1つは、共通の場所へのリンクによって媒介されると示唆した。第2段階は、注意を必要とするオブジェクトの個々の特徴を組み合わせることであり、そのオブジェクトの選択は、場所の「マスターマップ」内で行われる。完全な注意の条件下での結合の失敗の心理物理学的実証は、結合が共通の場所タグを介して達成されるという考えを裏付けている。^{[ 21 ]}

これらのアプローチが示唆するのは、色や動きなどの感覚データは、通常は「未割り当て」の形で存在しない可能性があるということです。メルカーによれば、^{[ 22 ]}「赤いボールの『赤』は、V4の抽象的な色空間に実体のない状態で浮かんでいるわけではありません。」視覚野の点に割り当てられた色情報が、パーブスとロットが示唆するように、トップダウン信号によって仮定された「オブジェクトアイデンティティ」に割り当てられた色情報に、何らかの命題論理（コンピュータ設計で使用されるものと類似）のインスタンス化を介して直接変換される場合（例：ここに青がある + オブジェクト1はここにある = オブジェクト1は青である）、同期などの手段による「結合」という特別な計算タスクは存在しない可能性があります。（フォン・デア・マルスブルク^{[ 23 ]}は、「三角形」や「上」などの「命題」を結合するという観点から問題を提起していますが、これらは単独では命題ではありません。）

脳内の信号がどのようにして命題的内容、つまり意味を持つようになるのかは、はるかに大きな問題である。しかし、マール^{[ 24 ]}とバーロウ^{[ 25 ]}は、1970年代の神経結合に関する知識に基づいて、特徴が最終的に知覚に統合される過程は、単語が文の中で機能する方法に似ていると示唆した。

分離結合における同期の役割は依然として議論の的となっている。メルカー^{[ 22 ]}は最近、同期は脳の活性化領域の特徴であり、BOLD信号コントラストイメージングで示される酸素需要の増加に類似した計算システムの「インフラストラクチャ」的特徴に関連している可能性があると示唆した。分離タスクとの明らかな特定の相関関係は、関連する領域の相互接続性に基づいて説明できるかもしれない。時間経過に伴う興奮と抑制のバランスをとる必要性の可能性のある現れとして、アニル・セス^{[ 15 ]}のモデルのように、相互再入回路に関連していると予想されるかもしれない（メルカーは、オーディオアンプが自身の出力を受け取る笛のアナロジーを挙げている）。

視覚的特徴結合には、対象物の位置に対する選択的注意が関与していると考えられている。空間的注意が結合統合に実際に関与しているとすれば、それは主に対象物の位置が結合の手がかりとして機能する場合に起こるだろう。ある研究の結果、機能的MRI画像では、単一特徴タスクにおいて特徴結合タスクに関与する空間的注意に関与する頭頂皮質の領域が示されている。このタスクでは、複数の対象物が異なる位置に同時に表示され、頭頂皮質が活性化されたが、複数の対象物が同じ位置に順次表示された場合は、頭頂皮質の関与は少なかった。^{[ 26 ]}

スミス^{[ 29 ]}は、知覚の主観的統一性としても知られる結合問題を「脳のメカニズムは実際にどのように現象的対象を構築するのか？」と定義している。レヴォンスオ^{[ 1 ]}はこれを「意識関連の結合」と同義とし、現象的側面の含意を強調している。レヴォンスオが2006年に探求したように^{[ 30 ]} 、基本的なBP1:BP2の区分を超えた微妙な違いが存在する。スミスは現象的対象（レヴォンスオの「局所的統一性」）の構築について語っているが、ルネ・デカルト、ゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツ、イマヌエル・カント、ジェームズ（ブルックとレイモントを参照）^{[ 31 ]}などの哲学者は、通常、現象的経験のより広い統一性（レヴォンスオの「全体的統一性」）に関心を寄せてきた。ベイン^{[ 32 ]}が示すように、それは本を見る、曲を聴く、感情を感じるなど、多様な特徴を含む可能性がある。今後の議論では、例えば「青い四角」と「黄色い円」に分離された感覚データを、黄色い円の隣にある青い四角という単一の現象的経験と、その文脈の他のすべての特徴にどのように再結合するかという、より一般的な問題に焦点を当てる。この「一体性」がどれほど現実的なものかについては様々な見解があるが、主観的に損なわれている、あるいは少なくとも制限されているように見える医学的状態の存在は、それが完全に幻想ではないことを示唆している。^{[ 33 ]}

知覚の主観的な統一性については、多くの神経生物学的理論が存在する。色、大きさ、形、動きなどのさまざまな視覚的特徴は、大部分が異なる神経回路によって計算されるが、私たちはこれを統合された全体として経験する。さまざまな視覚的特徴は、さまざまな方法で互いに相互作用する。たとえば、物体の形状の識別は、向きによって大きく影響を受けるが、物体の大きさによってわずかにしか影響を受けない。^{[ 34 ]}いくつかの理論では、統合された全体の全体的な知覚には、高次の視覚領域が関与していると示唆している。^{[ 35 ]}また、後部頭頂皮質が知覚シーンの分割と組織化に関与しているという証拠もある。 ^{[ 36 ]}互いに向き合っている身体は単一の単位として処理され、身体が互いに向き合っているときには、外側線条体身体領域（EBA）と後部上側頭溝（pSTS）の結合が増加する。 ^{[ 37 ]}これは、脳が人間を2人組またはペアでグループ化する傾向があることを示唆している。^{[ 38 ]}

境界問題は、神経科学と現象学におけるもう一つの未解決問題であり、結合問題に関連しています。境界問題は本質的に結合問題の逆であり、結合がどのように停止するのか、また何が他の神経現象が一人称視点に含まれるのを妨げ、一人称視点に明確な境界を与えるのかを問うものです。クオリア研究所の研究者たちは、境界問題と結合問題の解決の可能性のある方法として、トポロジカルセグメンテーションと電磁場トポロジを提案しています。^{[ 39 ]}

初期の哲学者ルネ・デカルトとゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツ^{[ 40 ]}は、私たちの経験の見かけ上の統一性は、複合物質の近接性や凝集性といった既知の量的特徴には相当するものがない、全か無かの質的特徴であると指摘した。19世紀のウィリアム・ジェームズ^{[ 41 ]}は、意識の統一性が既知の物理学によってどのように説明できるかを検討したが、満足のいく答えは見つからなかった。彼は「結合問題」という用語を造語したが、これは「精神塵理論」という特定の文脈において、完全な人間の意識経験は、物質が原子から構成されるように、原初的または微小な経験から構成されると提案されている。ジェームズは、分散した原初的経験がどのように「結合」するかについて因果的な物理的説明を与えることができないため、そのような理論は矛盾していると主張した。彼は、複合的な経験ではなく、「A、B、Cの経験」が一つ存在する「共意識」という概念を支持した。その後の哲学的立場については、ブルックとレイモントが詳細に論じている（26参照）。ただし、これらの立場には一般的に物理的な解釈は含まれていない。

ホワイトヘッド^{[ 42 ]}は、ジェームズの共意識の概念と一致する関係の根本的な存在論的基盤を提案した。この概念では、多くの因果的要素が、統一された経験を構成する単一の出来事または「機会」において共存または「共在」している。ホワイトヘッドは物理的な詳細を述べていないが、共在の概念は、物理学と一致する局所的な相互作用における因果的収束という観点から捉えられている。ホワイトヘッドが物理学で正式に認められているものを超えるのは、因果関係を複雑だが個別の「機会」に「チャンク化」している点である。たとえそのような機会を定義できたとしても、ホワイトヘッドのアプローチは、ジェームズが「共意識」にとって神経生物学的に意味のある因果的収束の場所を見つけるのに苦労した点を依然として残している。脳全体に信号収束部位が存在することは明らかですが、ダニエル・デネット^{[ 43 ]}が「デカルト劇場」と呼ぶもの、つまりデカルトが提唱したような単一の中心的な収束部位を再発明することを避けるという懸念があります。

デカルトの中心的「魂」は、意識的知覚と密接に相関する神経活動が皮質全体に広く分布していることから、現在では否定されている。残された選択肢は、複数の分散した因果的に収束する事象が別々に関与しているモデルか、現象的経験を特定の局所的な物理的事象ではなく、全体的な「機能的」能力に結びつけるモデルのいずれかであるように思われる。レヴォンスオ^{[ 1 ]}が指摘するように、どの解釈を採用するにせよ、どの構造レベルを扱っているのか、つまり細胞レベルなのか、「ノード」、「複合体」、「集合体」としての細胞群のレベルなのか、あるいは広く分布したネットワークのレベルなのかについては、合意が得られていない。おそらく、それが脳全体のレベルではないという点については、一般的な合意があるだけだろう。なぜなら、視覚野のV1領域（運動野や小脳に加えて）などの特定の一次感覚領域の信号が、現象的経験に直接寄与していないという証拠があるからである。

ダニエル・デネット^{[ 43 ]}は、人間として、自分の経験を個々の単一の出来事として認識することは錯覚であり、実際には、ある時点で複数の部位に感覚パターンの「複数の草稿」が存在すると提唱している。それぞれは、私たちが経験していると考えているものの断片しかカバーしていない。おそらくデネットは、意識は統一されておらず、現象的結合問題は存在しないと主張しているのだろう。ほとんどの哲学者はこの立場に難色を示している（ベイン^{[ 32 ]}を参照）が、一部の生理学者はこれに同意する。特に、ムトゥシスとゼキによる心理物理学実験^{[ 51 ] [ 52 ]}で示された知覚の非同期性は、色の知覚がそれぞれ線の向きや動きの知覚より40msと80ms前に起こることから、これらの非常に短い時間間隔では、異なる属性が異なるタイミングで意識的に知覚されるという議論を構成し、少なくとも視覚刺激後のこれらの短い時間間隔では、異なる出来事が互いに結びついていないという見解につながり、少なくともこれらの短い時間間隔では意識の不統一という見解につながる^{[ 53 ]} 。デネットの見解は、私たちの経験は私たちが感じているほど豊かではないことを示すとされる想起実験や変化盲からの証拠と一致しているかもしれない。これは、大錯覚と呼ばれているものである^{[ 54 ]} 。しかし、複数の部分的な「草稿」の存在を示唆する他の著者はほとんどいない。さらに、Lamme ^{[ 55 ]}は想起実験に基づいて、豊かさは幻想であるという考えに異議を唱え、現象的内容は認知的にアクセスできる内容と同一視できないことを強調した。

デネットは草稿を生物物理学的イベントに結びつけていない。エドワーズ^{[ 56 ]}とセブシュ^{[ 57 ]}は、複数の因果的収束部位を特定の生物物理学的用語で呼び起こしている。この見解では、現象的経験で結合される感覚信号は、複数の部位のそれぞれで完全に利用可能である。非因果的結合を避けるために、各部位/イベントは個々のニューロンの樹状突起ツリー内に配置される。利点は、「共存」が神経解剖学的に収束が起こるまさにその場所で呼び起こされることである。欠点は、デネットの場合と同様に、経験の複数の「コピー」という直感に反する概念である。経験的イベントまたは「機会」の正確な性質は、たとえ局所的であっても、依然として不明確である。

現象的経験の統一的な豊かさに関する理論的枠組みの大部分は、経験が単一のコピーとして存在するという直観的な考えに固執し、分散した細胞ネットワークの「機能的」記述に基づいている。Baars ^{[ 58 ]}は、我々が経験するものを符号化する特定の信号が「グローバルワークスペース」に入り、その中で並列処理のために皮質の多くの部位に「ブロードキャスト」されると示唆した。Dehaene、Changeux ら^{[ 59 ]}は、そのようなワークスペースの詳細な神経解剖学的バージョンを開発した。Tononi ら^{[ 60 ]}は、経験の豊かさのレベルは、統合された機能単位として機能する最大のサブネットワークまたは「複合体」内の最も狭い情報インターフェース「ボトルネック」によって決定されると示唆した。Lamme ^{[ 55 ]}は、フィードフォワード信号にのみ関与するネットワークではなく、相互信号をサポートするネットワークが経験をサポートすると示唆した。Edelman らはまた、再入信号の重要性を強調した。^{[ 61 ]}クリーマンス^{[ 62 ]}は、メタ表現を意識に寄与する信号の機能的特徴として強調している。

一般的に、このようなネットワークベースの理論は、意識がどのように統一され、「束縛」されるかを明確に説明する理論ではなく、信号が統一された意識体験に寄与する機能領域に関する理論である。機能領域に関する懸念は、ローゼンバーグ^{[ 63 ]}が境界問題と呼んだものであり、何を含め、何を除外するかについての唯一の説明を見つけるのは難しい。とはいえ、これが、もしあるとすれば、合意されたアプローチである。

ネットワークの文脈では、同期の役割は、現象的結合問題と計算的結合問題の両方の解決策として提唱されてきた。クリックは著書『驚くべき仮説』 [ ^{64 ]の}中で、BP1だけでなくBP2の解決策も提示しているように見える。フォン・デア・マルスブルク^{[ 65 ]}でさえ、 「心理的瞬間」についての考察とともに、対象特徴結合に関する詳細な計算論的議論を紹介している。シンガーグループ^{[ 66 ]}もまた、計算的分離と同様に、現象的認識における同期の役割に関心を持っているようだ。

同期を利用して分離と統合の両方を行うことの明らかな不適合性は、連続的な役割によって説明できるかもしれない。しかし、メルカー^{[ 22 ]}は、同期の文脈において、局所的な生物物理学的領域ではなく、機能的（実質的には計算的）な領域の観点から知覚の主観的な統一性を解決しようとする試みに矛盾があるように見えることを指摘している。

同期の役割に関する機能的な議論は、実際には局所的な生物物理学的イベントの分析によって裏付けられています。しかし、Merker ^{[ 22 ]}は、説明的な作業はシナプス後ニューロンにおける同期信号の下流統合によって行われると指摘しています。「しかし、単一の樹状突起への軸索収束部位でのみ同期によってもたらされる閾値の利点以外に、『同期による結合』によって理解されるべきことは決して明確ではありません…」言い換えれば、同期は収束ではなく分散的な基盤での結合を説明する方法として提案されていますが、その正当性は収束時に何が起こるかに基づいています。同期が下流の収束的相互作用に影響を与えるため、2 つの特徴の信号は同期によって結合されると提案されています。この種の計算関数に基づく現象的結合の理論は、同じ原理に従うように思われます。計算関数が収束を伴う場合、現象性も収束を伴うでしょう。

引用されている多くのモデルにおける仮定は、少なくとも一連の事象のある時点で、計算事象と現象事象が何らかの形で並行していることを示唆している。問題は、その方法が何であるかを特定することである。メルカー^{[ 22 ]}の分析は、(1)結合の計算的側面と現象的側面の両方がニューロンの樹状突起樹への信号の収束によって決定されるか、(2)計算的および現象的文脈の両方において「一緒に保持する」という意味での「結合」の必要性に関する私たちの直感的な考えが誤っていることを示唆している。私たちは必要のない余分な何かを探しているのかもしれない。たとえば、メルカーは、感覚経路の同型接続性が必要な仕事をしていると主張している。