認知神経科学

認知神経科学は、認知の基礎となる生物学的プロセスと側面の研究に関わる科学分野であり、^[1]特に精神プロセスに関与する脳内の神経接続に焦点を当てています。認知活動が脳内の神経回路によってどのように影響を受け、制御されるかという問題を扱っています。認知神経科学は神経科学と心理学の両方の分野であり、行動神経科学、認知心理学、生理心理学、情動神経科学などの分野と重複しています。^{[2]認知神経科学は、}神経生物学および計算モデルからの証拠と組み合わされた認知科学の理論に依存しています。^[2]

この分野では脳の各部分が重要な役割を果たします。主なポイントは、大脳皮質のさまざまな葉とともに、神経の観点から認知を理解することであるため、ニューロンが最も重要な役割を果たします。

認知神経科学で用いられる方法には、心理物理学や認知心理学、機能的神経画像化、電気生理学、認知ゲノミクス、行動遺伝学からの実験手順が含まれます。

脳損傷による認知障害を持つ患者の研究は、認知神経科学の重要な側面を構成している。損傷を受けた脳の損傷は、健康で完全に機能する脳と比較できる出発点となる。これらの損傷は脳内の神経回路を変化させ、記憶や学習などの基本的な認知プロセス中に機能不全を引き起こす。学習障害を持つ人とそのような損傷を、健康な神経回路がどのように機能しているかと比較し、影響を受けた認知プロセスの基礎について結論を導き出すことができる可能性がある。脳の学習障害の例としては、ウェルニッケ野、側頭葉の左側、前頭葉に近いブローカ野などがある。 ^[3]

また、脳の発達に基づいた認知能力は、発達認知神経科学というサブフィールドで研究・調査されています。これは、時間の経過に伴う脳の発達を示し、違いを分析し、その違いの考えられる理由を作り上げます。

理論的アプローチには、計算神経科学と認知心理学が含まれます。

認知神経科学は、神経科学と心理学から生まれた学際的な研究分野です。^[4]これらの分野には、研究者の研究へのアプローチ方法を変え、この分野が完全に確立されるようになった段階がいくつかあります。

認知神経科学の課題は心と関連する神経メカニズムを記述することですが、歴史的には、脳の特定の領域が特定の精神的能力をどのようにサポートしているかを調査することで進歩してきました。しかし、脳を細分化する初期の取り組みは問題があることが判明しました。骨相学者運動は理論の科学的根拠を提供できず、それ以来否定されています。脳のすべての領域がすべての行動に関与していることを意味する集約的視野^[5]も、ヒッツィヒとフリッチュの実験^{[6]に始まり、最終的には}陽電子放出断層撮影（PET）や機能的磁気共鳴画像法（fMRI）などの方法を通じて発展した脳マッピングの結果として否定されました。 ^[7] ゲシュタルト理論、神経心理学、認知革命は、分野としての認知神経科学の創出における大きな転換点であり、研究者が行動とその神経基質との間により多くの関連を見出すことを可能にするアイデアと技術を結集しました。

哲学者は常に心に興味を抱いてきた。「現象を説明するには、その原因となるメカニズムを理解することが必要だという考え方は、紀元前5世紀の原子論から、17世紀と18世紀のガリレオ、デカルト、ボイルの著作における復活まで、哲学の歴史に深く根ざしている。とりわけ、人間が作った機械が科学的説明のモデルとして機能できるというのはデカルトの考えである。」^[8] たとえば、アリストテレスは、脳は体の冷却システムであり、知能は心臓にあると考えていた。これとは異なる考えを持った最初の人物は、脳が精神活動の源であると宣言した紀元2世紀のローマの医師ガレノスであると言われているが、^[9]これはアルクメオンの考えともされている。^[10]しかし、ガレノスは、人格や感情は脳ではなく他の器官によって生成されると信じていた。解剖学者で医師のアンドレアス・ヴェサリウスは、脳と神経系が心と感情の中心であると信じた最初の人物でした。^{[11]認知神経科学に大きく貢献した分野である} 心理学は、心についての哲学的推論から生まれました。^[12]

認知神経科学の前身の一つは、頭皮の形状によって行動が決まると主張する疑似科学的アプローチである骨相学であった。19世紀初頭、フランツ・ヨーゼフ・ガルとJG・シュプルツハイムは、人間の脳は約35の異なるセクションに局在していると信じていた。ガルは著書『神経系一般および脳の解剖と生理学』の中で、これらの領域の1つに大きな突起があるということは、その人はその脳の領域をより頻繁に使用していることを意味すると主張した。この理論は大きな注目を集め、骨相学ジャーナルの出版や、被験者の頭の突起を測定する骨相計の開発につながった。骨相学はフェアやカーニバルの定番であったが、科学界では広く受け入れられることはなかった。^[13]骨相学に対する主な批判は、研究者が理論を経験的にテストできなかったことである。^[4]

局在主義的見解は、精神的能力が脳の特定の領域に局在していることに関心があり、能力の特性が何であるか、そしてそれをどのように測定するかには関心がなかった。^[4]ヨーロッパで行われた研究、例えばジョン・ヒューリングス・ジャクソンの研究はこの見解を支持した。ジャクソンは脳損傷患者、特にてんかん患者を研究した。彼はてんかん患者が発作中にしばしば同じ間代性運動と強直性運動をすることを発見し、発作は毎回脳の同じ場所の活動によって引き起こされているに違いないとジャクソンは信じるようになった。ジャクソンは特定の機能が脳の特定の領域に局在していると提唱し、^{[14]これは将来、}脳葉を理解する上で重要であった。

集合的視野によれば、脳のすべての領域があらゆる精神機能に関与している。^[5]

フランスの実験心理学者ピエール・フルランは、動物実験を用いて局在主義の見解に異議を唱えた。^{[4]彼はウサギとハトの}小脳（脳）を除去すると筋肉の協調感覚が影響を受け、ハトでは大脳半球を除去するとすべての認知機能が損なわれることを発見した。このことから彼は大脳皮質、小脳、脳幹が全体として一緒に機能していると結論付けた。^[15]彼のアプローチは、選択的欠陥があったとしてもそれを検出できるほど検査の感度が十分ではなかったという理由で批判されてきた。^[4]

おそらく、精神機能を脳の特定の場所に局在させようとする最初の真剣な試みは、ブローカとウェルニッケによるものだった。これは主に、脳のさまざまな部分の損傷が心理機能に与える影響を研究することによって達成された。^[9] 1861年、フランスの神経学者ポール・ブローカは、言語は理解できるが話すことができない障害を持つ男性に出会った。この男性は「タン」という音しか発せられなかった。後に、この男性は左前頭葉の現在ブローカ野として知られる領域に損傷があることがわかった。ドイツの 神経学者カール・ウェルニッケは、流暢に話せるが意味不明な患者を見つけた。この患者は脳卒中を患っており、話し言葉も書き言葉も理解できなかった。この患者は、現在ウェルニッケ野として知られる、左頭頂葉と側頭葉が交わる領域に損傷があった。これらの症例は、損傷が特定の行動の変化を引き起こしたことを示唆しており、局在主義の見解を強く支持した。さらに、失語症はポール・ブローカによって発見された学習障害です。ジョンズ・ホプキンス大学医学部によると、失語症は言語表現と理解を制御する脳の特定の領域の損傷によって引き起こされる言語障害です。^[16]これにより、人は「ワードサラダ」と呼ばれる意味のない言葉を話すことがよくあります^[17]

1870年、ドイツの医師エドゥアルト・ヒッツィヒとグスタフ・フリッチュは動物の行動に関する発見を発表しました。ヒッツィヒとフリッチュは犬の大脳皮質に電流を流し、脳のどの部分が電気刺激を受けたかによって異なる筋肉が収縮するようにしました。これにより、集合視野が示唆するように、個々の機能は大脳全体ではなく、脳の特定の領域に局在するという仮説が生ま​​れました。^[6] ブロードマンは脳マッピングでも重要な人物でした。フランツ・ニッスルの組織染色技術に基づく彼の実験では、脳を52の領域に分割しました。

20 世紀初頭、アメリカの態度は実用主義を特徴としており、行動主義が心理学の主要なアプローチとして好まれるようになった。JBワトソンは刺激反応アプローチの重要人物であった。動物実験を行うことで、彼は行動を予測し、制御することを目指していた。行動主義は、人間の行動と思考の現実的な心理学を提供できなかったため、最終的に失敗した。それは、思考や想像力などの現象の説明を犠牲にして、主に刺激反応の関連性に焦点を当てていたためである。これは、しばしば「認知革命」と呼ばれるものにつながった。^[18]

20世紀初頭、サンティアゴ・ラモン・イ・カハールとカミロ・ゴルジはニューロンの構造について研究を始めた。ゴルジは特定の領域にある複数の細胞を完全に染色できる銀染色法を開発し、ニューロンは1つの細胞質内で直接つながっていると信じるようになった。カハールは脳のミエリンが少ない領域を染色し、ニューロンが独立した細胞であることを発見した後、この見解に異議を唱えた。カハールはまた、細胞がニューロンを通じて電気信号を一方向にのみ伝達することを発見した。ゴルジとカハールはニューロン理論に関するこの研究により、1906年にノーベル生理学・医学賞を受賞した。^[19]

20 世紀には、眼優位柱の発見、動物の単一神経細胞の記録、眼球運動と頭球運動の協調など、この分野の発展に寄与した発見がいくつかありました。実験心理学も認知神経科学の基盤として重要な役割を果たしました。特に重要な成果としては、いくつかのタスクが個別の処理段階を経て達成されることの実証、注意の研究、^{[20] [21]}、行動データだけでは精神プロセスを説明するのに十分な情報を提供しないという考えなどが挙げられます。その結果、一部の実験心理学者は行動の神経基盤を調査し始めました。ワイルダー・ペンフィールドは、手術中に患者の皮質を刺激することで、脳の一次感覚および運動領域の地図を作成しました。1950年代のスプリット ブレイン患者に対するスペリーとガザニガの研究も、この分野の進歩に大きく貢献しました。 ^[9]認知神経科学という用語自体は、1976 年にタクシーに同乗していたガザニガと認知心理学者のジョージ・アーミテージ・ミラーによって造られました。^[22]

新しい脳マッピング技術、特にfMRIとPETにより、研究者は脳の機能を観察することで認知心理学の実験戦略を調査できるようになりました。これは新しい方法であると考えられることが多いですが (ほとんどの技術は比較的最近のものです)、その基本原理は、血流が初めて脳機能と関連付けられていた 1878 年にまで遡ります。 ^{[7] 19 世紀のイタリアの心理学者} アンジェロ・モッソは、患者の頭蓋骨に神経外科手術で作った骨欠損部を通して成人の脳の脈動を監視していました。彼は、被験者が数学計算などの作業に従事すると、脳の脈動が局所的に増加することに気づきました。このような観察から、モッソは脳の血流が機能に従うという結論に至りました。^[7]

一般的に大脳は、前頭葉、後頭葉、側頭葉、頭頂葉、島の 5 つのセクションに分けられます。^[23]脳は溝と溝にも分かれています。^[24]シルビウス溝と呼ばれる外側溝は、前頭葉と側頭葉を分離します。島はこの外側溝の奥にあると言われています。縦溝は、脳の各葉を縦方向に分離します。各葉は、血管の分布が異なっていると考えられています。^[23]全体の表面は、神経画像診断の目的で識別する必要がある溝と回で構成されています。^[24]

認知神経科学の歴史を通じて、多くの注目すべき実験が行われてきました。例えば、コスリンらが1993年に実施した精神的回転実験^[25]では、想像によって物体を精神的に回転させるのにかかる時間は、実際に回転させるのにかかる時間と同じであることが示されました。彼らは、物体を精神的に回転させるときに、運動機能に関与する脳の部分が活性化されることを発見しており、これがこの類似性を説明できるかもしれません。^[25]

もう一つの実験では、視覚的注意を処理する2つのメカニズム、ボトムアップ注意とトップダウン注意について説明しています。^[26]彼らは、ボトムアップ注意は脳が最初に目立つ画像を視覚的に処理し、次に周囲の情報を処理することであり、トップダウン注意は最初にタスクに関連するオブジェクトに焦点を当てることであると定義しています。研究者は、腹側ストリームが視覚認識に焦点を当て、背側ストリームがオブジェクトに関する空間情報に関与していることを発見しました。

認知神経科学の実験として、これらに共通するのは、研究者が私たちが目に見える活動や行動を測定し、その機能の神経的基盤と脳のどの部分が関与しているかを判断している点です。

1956年9月11日、マサチューセッツ工科大学で認知学者の大規模な会議が開催された。ジョージ・A・ミラーは「魔法の数字7プラスマイナス2」という論文^[27]を発表し、ノーム・チョムスキーとニューウェル＆サイモンはコンピュータサイエンスに関する発見を発表した。ウルリック・ナイサーは、 1967年の著書『認知心理学』で、この会議で得られた多くの発見についてコメントしている。「心理学」という用語は1950年代から1960年代にかけて衰退し、この分野は「認知科学」と呼ばれるようになった。ミラーなどの行動主義者は、一般的な行動よりも言語の表現に焦点を当て始めた。デビッド・マーは、認知プロセスは3つの分析レベルで理解すべきだと結論付けた。これらのレベルには、計算レベル、アルゴリズム/表現レベル、物理レベルの分析が含まれる。^[28]

1980 年代以前は、神経科学と認知科学の交流はほとんどありませんでした。^[29]認知神経科学は、1950 年代から 1960 年代に出現した認知科学の新たな理論的基盤を、実験心理学、神経心理学、神経科学のアプローチと統合し始めました。(神経科学は 1971 年まで統一された学問分野として確立されていませんでした^[30] )。1970 年代後半には、神経科学者の Michael S. Gazzaniga と認知心理学者の George A. Miller が「認知神経科学」という用語を初めて作ったと言われています。^[31] 20 世紀後半には、TMS (1985) やfMRI (1991) など、現在では認知神経科学の方法論の主流となっている新しい技術が開発されました。認知神経科学で使用された初期の方法には、 EEG (ヒト EEG 1920) やMEG (1968)などがあります。認知神経科学者は、 PETやSPECTなどの他の脳画像化法を利用することもあります。神経科学の今後の技術として、光吸収を利用して皮質領域の酸素ヘモグロビンと脱酸素ヘモグロビンの変化を計算するNIRSがあります。一部の動物では、単一ユニット記録を使用できます。その他の方法には、マイクロニューログラフィー、顔面筋電図、および視線追跡などがあります。統合神経科学は、データベースにデータを統合し、生物学、心理学、解剖学、臨床診療など、さまざまな分野とスケールから統一された記述モデルを形成しようとします。^[32]

適応共鳴理論（ART ）は、1970年代後半にゲイル・カーペンターとスティーブン・グロスバーグによって開発された、脳がどのように情報を処理するかという認知神経科学の理論です。これは、教師あり学習法と教師なし学習法を使用し、パターン認識や予測などの問題に対処する人工ニューラルネットワークモデルをいくつか説明しています。^[33]

2014年、スタニスラス・デハーネ、ジャコモ・リッツォラッティ、トレバー・ロビンズは、「読み書き、計算、動機づけられた行動、社会的認知などの複雑な人間の機能の基盤となる高次脳メカニズムに関する先駆的な研究と、認知障害や行動障害の理解に向けた取り組み」によりブレイン賞を受賞した。[ 34 ^] ブレンダ・ミルナー、マーカス・ライクル、ジョン・オキーフは「記憶と認知のための特殊な脳ネットワークの発見」によりカブリ神経科学賞を受賞し、 ^[35]オキーフは同年、メイブリット・モーザー、エドヴァルド・モーザーとともに「脳内の位置決めシステムを構成する細胞の発見」によりノーベル生理学・医学賞を共同受賞した。 ^[36]

2017年、ウォルフラム・シュルツ、ピーター・ダヤン、レイ・ドランは「ギャンブル、薬物中毒、強迫行動、統合失調症などの状況における意思決定障害を含む人間の行動の理解に広範囲にわたる影響を与える、学習と報酬を結びつける脳のメカニズムの学際的分析」に対してブレイン賞を受賞した。^[37]

最近の研究の焦点は、単一の技術を用いて成人の脳の特定の機能を果たす脳領域の局在を特定することから拡大している。研究は、異なる脳領域間の相互作用の探究、脳機能の理解のための複数の技術とアプローチの使用、計算的アプローチの使用など、いくつかの異なる方向に分岐している。^[38]非侵襲性機能神経イメージングと関連するデータ分析方法の進歩により、認知神経科学研究において、社会的相互作用を描いた長編映画など、非常に自然な刺激や課題を使用することも可能になった。^[39]

近年、認知神経科学の分野では多くの新しい進歩がありました。出現した新しい技術の 1 つは、シャドウ イメージングと呼ばれるものです。この方法は、さまざまな神経イメージング技術のさまざまな側面を組み合わせて、より汎用性の高いものを生み出しました。これは、標準的な光学顕微鏡を使用し、それを脳の細胞外空間にある間質液の蛍光標識と融合させます。この技術により、研究者は脳組織をより大きく詳細に観察できます。これにより、研究者は実験の解剖学と実行可能性についてより深く理解できます。この技術は、ニューロン、ミクログリア、腫瘍細胞、毛細血管をより詳細に観察するのに役立ちました。シャドウ イメージングは​​、神経イメージングの分野で大きな可能性を秘めた新しいアプローチです。^[40]

認知神経科学におけるもう一つの最近の傾向は、光遺伝学を用いて回路機能とその行動的影響を研究することです。^[41]この新しい技術は、特定のニューロンを遺伝的に標的とし、画像技術を使用して生きたニューロンの標的を見ることを組み合わせたものです。この技術により、科学者は動物のニューロンがまだ無傷の状態で観察でき、その細胞内の電気的現象を追跡することができます。この新しい技術は多くの実験で効果的に使用されており、研究者が脳の活動を観察し、病気、行動、機能におけるその役割を理解するのに役立っています。^[42]

研究者らは、神経活動の直接画像化、またはDIANAと呼ばれる技術でfMRIを改良し、より効率的にした。この研究者グループは、ソフトウェアを変更して5ミリ秒ごとにデータを収集するようにした。これは、通常の技術で収集するよりも8倍速い。その後、ソフトウェアは、画像化中に撮影されたすべての画像をつなぎ合わせて、脳の完全なスライスを作成することができる。^[43]

認知神経科学は人工知能（AI）の形成に大きな役割を果たしてきました。人間の脳がどのように情報を処理するかを研究することで、研究者は学習、パターン認識、意思決定などの認知機能をシミュレートするAIシステムを開発しました。その良い例が、脳内のニューロン間の接続にヒントを得たニューラルネットワークです。これらのネットワークは、多くのAIアプリケーションの基盤を形成しています。^[44]

AIのサブフィールドであるディープラーニングは、ニューラルネットワークを使用して人間の脳に似たプロセスを再現します。たとえば、畳み込みニューラルネットワーク（CNN）は視覚システムをモデルにしており、画像認識や音声分析などのタスクを変革してきました。AIは、機能的磁気共鳴画像（fMRI）や脳波（EEG）などの脳画像技術の進歩からも恩恵を受けています。これらのツールは、神経活動に関する貴重な洞察を提供し、人間の思考プロセスを模倣するように設計されたAIシステムの改善に役立ちます。^[45]

進歩はあるものの、人間の認知の複雑さを再現することは依然として課題である。研究者たちは現在、ニューラルネットワークと記号的推論を組み合わせたハイブリッドモデルを研究しており、人間の思考や問題解決の方法をよりよく模倣しようとしている。このアプローチは、現在のAIシステムの限界のいくつかを解決する可能性を示している。^[46]

• 注意
• 認知発達
• 意識
• 創造性
• 意思決定
• 感情
• 知能
• 言語
• 学ぶ
• メモリ
• 感知
• 社会的認知
• 心がさまよう

実験方法には以下のものがあります。

• 心理物理学
• 視線追跡
• 機能的磁気共鳴画像
• 脳波検査
• 脳磁図
• 皮質電気記録
• 経頭蓋磁気刺激
• 計算モデリング

• イェスパー・モーエンセン、デンマークの神経科学者、元大学教授

• バーズ、バーナード J.; ゲージ、ニコール M. (2010)。認知、脳、意識: 認知神経科学入門。アカデミック プレス。ISBN 978-0-12-381440-1。
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• 認知機能神経画像ハンドブック ロベルト・カベサ、アラン・キングストン著
• 神経科学の原理 エリック・R・カンデル、ジェームズ・H・シュワルツ、トーマス・M・ジェッセル著
• 記憶の認知神経科学 アマンダ・パーカー、エドワード・L・ワイルディング、ティモシー・J・バッシー著
• 脳の神経理論 クリストフ・コッホ、ジョエル・L・デイビス著
• ケンブリッジ思考と推論ハンドブック 著者：キース・ジェームズ・ホリオーク、ロバート・G・モリソン
• 数学的認知ハンドブック ジェイミー・I・D・キャンベル著
• 認知心理学 マイケル・W・アイゼンク、マーク・T・キーン著
• 知能の発達 マイク・アンダーソン著
• 精神処理の発達 Andreas Demetriou 他著
• 記憶と思考 ロバート・H・ロジー、KJ・ギルフーリー著
• 記憶容量 ネルソン・コーワン著
• 第19回認知科学年次会議議事録
• ワーキングメモリのモデル 三宅 明、プリティ・シャー著
• 記憶と思考 ロバート・H・ロジー、KJ・ギルフーリー著
• ワーキングメモリの変動 Andrew RA Conway 他著
• 記憶容量 ネルソン・コーワン著
• 認知と知性 ロバート・J・スターンバーグ、ジーン・E・プレッツ著
• 知能の一般因子 ロバート・J・スターンバーグ、エレナ・グリゴレンコ著
• 学習、発達、発見の神経学的基礎 アントン・E・ローソン著
• 記憶と人間の認知 ジョン・TE・リチャードソン著
• 神経科学協会。https://web.archive.org/web/20090805111859/http://www.sfn.org/index.cfm?pagename=about_SfN#timeline 2009 年 8 月 14 日閲覧
• 田中啓二「神経生物学の最新動向」（2007年）

ウィキメディア・コモンズには、認知神経科学に関連するメディアがあります。

• 認知神経科学協会ホームページ
• ゼロには何かがある
• 認知神経科学とは何か？、ジェイミー・ワード/心理学出版
• goCognitive - 認知神経科学の教育ツール（ビデオインタビューを含む）
• CogNet、MIT 脳と認知科学オンラインコミュニティ
• 認知神経科学アリーナ、心理学プレス
• 認知神経科学と哲学、CUJCS、2002年春
• 全脳アトラス 脳構造トップ 100
• 認知神経科学ディスカッショングループ
• ジョン・ジョニデス、認知神経科学における大きな役割、Beebrite
• 認知神経科学入門
• AgliotiLAB - 2003年にイタリアのローマに設立された社会認知神経科学研究所

関連するウィキブック

• 認知心理学と認知神経科学に関するウィキブック
• 意識研究に関するウィキブック
• 神経科学に関するウィキブックの認知神経科学の章
• 計算認知神経科学ウィキブック 2019-07-24 にWayback Machineでアーカイブ