JA スコット ケルソ

JA スコット ケルソー(1947 年、北アイルランドのデリー生まれ) は、アメリカの神経科学者であり、フロリダ州ボカラトンのフロリダ アトランティック大学(FAU) および北アイルランドのデリーにあるアルスター大学 (マギー キャンパス) の複雑系および脳科学の教授、心理学、生物科学、生物医学の教授です。

ケルソーは、協調ダイナミクス、協調の科学、および随意運動の基礎となる基本メカニズムと人間の脳の大規模な協調ダイナミクスとの関係 について研究してきました。

1970年代後半から1980年代前半にかけての彼の実験的研究は、 HKBモデル（ハーケン・ケルソー・ブンツモデル）^[1]につながりました。これは、構成要素間の非線形相互作用の結果として、協調行動の基本形態がどのように適応的に発生し変化するかを定量的に記述し予測する数学的定式化です。

ケルソーは北アイルランドのデリー市で生まれました。フォイル大学（1958年～1965年）に通い、1965年から1969年までベルファストのストランミリス大学で学士課程を修了し、 1971年から1972年までアルバータ州カルガリー大学で学びました。1975年に ウィスコンシン大学マディソン校で博士号を取得しました。

1976年から1978年まで、ケルソーはアイオワ大学の運動行動研究所の助教授および所長を務めた。1978年から1985年までは、コネチカット州ニューヘイブンにあるイェール大学のハスキンス研究所の上級研究員、およびコネチカット大学の心理学および生物行動科学（行動遺伝学ユニット）の教授を務めた。

1985年、彼はフロリダアトランティック大学に複雑系・脳科学センターを設立した。これは神経科学者、応用数学者、物理学者、心理学者、コンピューター科学者が同じ施設に集まり、分子から心まで複雑な生物システムの共通の問題に共同で取り組む学際的な研究センターである。ケルソーはセンターの人間の脳と行動の研究室で研究チームを率いている。^[2]

ケルソーは 1985 年以来、フロリダ アトランティック大学でグレンウッドおよびマーサ クリーチ科学優秀教授職を務めており、同大学で心理学、生物科学、生物医学の教授も務めています。ケルソーは1987 年から 2005 年までフロリダ アトランティック大学でNIMHの複雑系および脳科学の全国トレーニング プログラムのプログラム ディレクターを務めました。FAU 管理部および州立大学システムの学長室と連携して、ケルソーはセンターの複雑系および脳科学の博士号の設立に貢献しました。

1995 年、ケルソーはサンタフェ研究所の複雑系サマースクールの共同ディレクターを務めました。1995年から 1999 年まで、科学研究協会であるシグマ サイの南フロリダ支部の会長を務めました。また、プレクサス研究所の科学委員会、アインシュタイン研究所の世界評議会、およびアルスター大学マギー キャンパスのインテリジェント システム研究センターの諮問委員会のメンバーでもあります。

ケルソーはフランス、ドイツ、ロシア、そして（現在は）アイルランドで客員教授を務めた。また、米国および海外で広く講義を行ってきた。科学研究​​で多くの栄誉と賞を受賞している。^[3] 2007年にピエール・ド・フェルマー桂冠に選ばれた。^{[4] 2017年に}アイルランド王立アカデミーの会員に選出された。^[5]

ケルソーの研究の目的は、人間（および人間の脳- 単独および全体）がどのように行動を調整するかを理解することです。ケルソーと彼の研究チームは現在、非侵襲性神経画像化技術（EEG、MEG、fMRI、PETなど）と統計ツールを使用して、リアルタイムの行動中の脳の構造と機能に関する情報を収集しています。

過去約 30 年間、彼は世界中の研究室で働く同僚とともに、コーディネーション ダイナミクスと呼ばれる学際的な科学に携わってきました。コーディネーション ダイナミクスは、コーディネーションのパターンがどのように形成され、持続し、適応し、変化するかを説明しようとする経験的かつ概念的な枠組みです。コーディネーション ダイナミクスの洞察は、さまざまなレベルの分析でさまざまな種類のシステムの動作を予測するために適用されてきました。

コーディネーションダイナミクスは、シナジェティクスの概念と動的システムの数学的ツールに基づいています (非線形動的システム理論とシナジェティクスを参照)。しかし、コーディネーションダイナミクスは、予測、意図、注意、意思決定、学習など、人間の認知、神経生理学、社会的機能の特定の特性をモデル化しようとします。コーディネーションダイナミクスの主な主張は、脳内のニューロンの調整と人間と動物の協調動作は、共通の数学的または動的構造を共有することで結びついているというものです。

ケルソーは神経科学における準安定性の研究に取り組んできました。この概念は、脳の個々の部分が一方では特殊化され分離されながらも、他方では統合された全体として機能するという考え方を数学的に定式化しているため、理論神経科学者や計算神経科学者の間で関心が高まっています。^[6]

ケルソーの初期の研究は、神経ブロック技術を使用して人間の手足からの感覚入力を遮断しました。^[7]彼の実験は、手足の位置を意識的に認識していなくても、人間は空間内の目的の場所に正確に移動できることを示しました。MITでポリットとビッツィがサルを対象に行った研究^[8]とともに、ケルソーの研究は、アナトール・フェルドマンが最初に提唱した運動制御の平衡点理論を確立する上で重要な役割を果たしました。^[9]その後、彼は学生のデビッド・グッドマンとダン・サザードとともに、高度なコンピュータ支援動作分析の時代よりはるか前に、パルス発光ダイオード技術を使用して、脳が機能的相乗効果を利用して上肢の複雑で協調的な動きを制御していることを実証しました。この概念は、もともとロシアの生理学者でサイバネティシャンのニコライ・バーンスタインが提唱したものです。^[10]ハスキンズ研究所でさらに新しい摂動技術、運動学、筋肉内記録を組み合わせた研究により、複雑な発話ジェスチャーの制御と調整も機能的相乗効果または調整構造に基づいていることがわかった。^[11]運動システムで相乗効果がどのように形成されるかを問う中で、ケルソーはシェリントン派の神経生理学から自己組織化理論、特にヘルマン・ハーケンが創設したシナジェティクスという新興の学際分野に目を向けた。^[12]当時、アニメーションの動きの支配的な理解は、行動は「中央プログラム」、つまり一連の生体力学的コンポーネントがどのように行動すべきかを規定する事前に準備された一連の指示によって決定されるというものだった。対照的に、ケルソーは、多くの相互接続された要素間の高度に非線形な相互作用の結果として、行動が自己組織化的に出現することもあることを実験的に示しました。彼の実験は、パラメータが連続的に変化すると、ある協調状態から別の協調状態へと突然自発的に移行することである相転移の存在を初めて実証した。相転移は自然界における自己組織化の基本的なメカニズムであり、何度も再現されたケルソーの実験は、人間の協調運動において相転移を示した最初の実験であった。^[13]

ケルソーと彼の同僚は後に、複雑な多自由度システムにおける協調運動行動の複雑さの多くは、比較的単純だが非線形の数学的法則から導き出せることを実証した。この研究のレビューについては、ケルソーら (1987) およびシェーナーとケルソー (1988) を参照のこと^。[14]特に、ケルソーは、レーザー理論とシナジェティクスの父である著名な理論物理学者 ヘルマン・ハーケンと共同で数学モデルを開発した。この「HKBモデル」は、個々の協調要素間の非線形関係のシステムを使用して、ケルソーの実験で観察された協調の基本形式を導き出すことができた。 ^[15] HKBモデルは、「臨界減速」や「強化された変動」などの実験的観察を説明および予測し、協調の不安定性や劇的な変化に関連する。 HKBのその後の拡張では、ノイズ、対称性の破れ、複数の相互作用する異種成分、リクルートメント-消滅プロセス、パラメトリック安定化、変化する環境が協調に与える影響を考慮した^[16]

その後、ケルソーと彼の同僚は、手から脳へと研究対象を移し、脳の神経磁気活動を記録するためにSQUID 磁力計の大型アレイを使用し、脳の領域における BOLD (血中酸素レベル依存) 活性化を記録するために機能的磁気共鳴画像法を使用した。 ^[17]この研究は、手の協調運動で観察できる数学的形態 (相転移など) が、脳活動の画像でも観察できることを示した。あるいは、ケルソーが言うように、「同じ協調ダイナミクスが脳活動と人間の行動を支配している」。^[18]たとえば、人間の脳活動の記録と分析に基づいて^[19]、ケルソーとともにヴィクトル・ジルサとアーミン・フックスは、基礎となる神経基質のより現実的な解剖学的および生理学的モデルから、行動レベルでの協調の HKB 方程式を導き出すことができた^[20]

ケルソーの現在の研究は、協調ダイナミクスの同じ原理とメカニズムが、社会的状況で協力して働く人間の脳にも当てはまるかどうかに焦点を当てています。彼と彼の同僚は、脳波 (EEG) の分野で現在利用可能な大型電極アレイを使用して、協調した手の動きをしている 2 人の人間の脳を画像化しています。驚くべきことに、ケルソーのチームは、人間が協調して行動するか、独立して行動するかに対応する脳内の特徴を特定しました。^[21]別の研究分野では、ケルソーと同僚は、仮想パートナー相互作用 (VPI) と呼ばれる、人間と機械のリアルタイム相互作用を理解するための新しい方法を生み出しました。VPI では、人間は仮想パートナーと協調します。仮想パートナーの行動は、人間の協調の基本的な形態を支配することが知られている HKB 方程式のコンピューター バージョンによって駆動されます。VPI は、人間と機械の相互作用に対する原理的なアプローチであり、人間が人間のような機械とどのように相互作用するかを理解する新しい方法を切り開く可能性があります。^[22]

ケルソーの最初の長編著書『ダイナミック パターン: 脳と行動の自己組織化』 (MIT 出版、1995 年) は、コーディネーションに関する彼の理論的および実験的研究の最初の 20 年間を要約したもので、ニューロンから心まで、あらゆるレベルでのパターン化された行動の創造と進化は、自己組織化の動的プロセスによって制御されていると主張しています。この本は一般読者向けに書かれており、簡単な実験例と図解を使用して、数学を最小限に抑えながら、基本的な概念、戦略、および方法を伝えています。^{[引用が必要]}

ケルソーは、ヴィクトル・ジルサとともに『コーディネーション・ダイナミクス：課題と傾向』（Springer、2004年）を編集しました。ケルソーは、Springerの「複雑系を理解する」シリーズの創刊編集者でもあり、さまざまな分野の10の科学雑誌/定期刊行物の編集委員会に所属しています。^[要出典]

ケルソーの 2 冊目の長編著書は、元ポスドクのデイビッド A. エングストロームと共著したThe Complementary Nature (MIT Press、2006 年) です。この本は、いわゆる「補完的ペアの哲学」と調整力学の科学を調和させようとしています。相反するペアは、自然界や科学界のいたるところに見られます (協力と競争、統合と分離、個人と集団、自己と他者、身体と精神、生まれと育ちなど)。ケルソーとエングストロームは、これらのペアは相互に排他的ではなく、補完的であると主張しています。彼らは、ケルソーの準安定調整力学の理論に基づいて、相反するものを調和させる方法について、包括的で経験に基づいた科学理論を提案しています。この理論の本質は、人間の脳は、統合と分離という、一見矛盾し相互に排他的な 2 つの行動を同時に示すことができるという点です。ケルソーとエングストロームは、調和した相補的なペア（例えば、身体と心、自然と育ち）のシンボルとして、波線（~）を使用しています。波線は基本的な真実を明らかにしています。つまり、生命、心、社会、自然における複雑な現象やシステムを徹底的に説明し理解するには、相補的な側面とそのダイナミクスの両方が必要であるということです。^[23]

スコット・ケルソーは数多くの記事や本を出版しています。その一部をご紹介します。

• 1973.行動および神経学的パラメータの決定因子としての神経圧迫ブロック
• 1982.人間の運動行動：入門。
• 1982年、ジェーン・E・クラークとの共著『運動制御と協調の発達』。
• 1995.動的パターン：脳と行動の自己組織化
• 2004.コーディネーションダイナミクス：問題と傾向、Viktor K. Jirsa と共著
• 2006年相補的性質、デイビッド・A・エングストロームと共著

• 複雑系・脳科学研究センター
• 人間の脳と行動研究室
• 相補的自然ウェブサイト