Loading article…
ニューロンリサイクル仮説は、スタニスラス・デハーンが認知神経科学の分野で提唱した[1]。人間が最近発明された認知能力を獲得することを可能にする根底にある神経プロセスを説明する試みである[2] 。この仮説は、「読書パラドックス」 [2]に応えて策定された。これは、これらの認知プロセスは進化の産物であるにはあまりにも近代的な文化的発明であると主張するものである。このパラドックスは、異文化間の証拠が特定の脳領域がこれらの機能に関連していることを示唆しているという事実にある。[1]ニューロンリサイクルの概念は、新しい機能が実際に既存の脳回路を利用して「リサイクル」することを示唆することで、このパラドックスを解決します。これらの認知機能が同様の目的に割り当てられた皮質領域を見つけると、既存の回路に侵入することができます。可塑性(学習を通じて変化し再編成される脳の皮質構造の継続的な特性) [3]により、皮質はこれらの新しい機能に対応するために適応することができます。[2]
歴史
最近まで、社会科学者は脳生物学が自分たちの分野に関係があるとは考えていなかったため、読み書きや算数などの文化的獲得の生物学的メカニズムを研究しようとはしなかった。[4]初期の社会科学者の多くはタブラ・ラサ（白紙）の見解を持っていた。これは、個人は精神的内容を持たずに生まれ、脳の構成と機能は人生経験からのみ生じるという概念である。[5]標準的な社会科学モデルでは、脳は単に大きな領域一般構造であり、その機能は文化的入力を通じて徐々に進化してきたとみなされている。[4]今日でも、多くの科学者は脳をブラックボックスと見なし続けている。ブラックボックスでは、入力と出力しか測定できず、その内部メカニズムは決してわからない。[6]
この仮説に関連する最初の発見の 1 つは、フランスの神経学者ジョセフ・ジュール・デジェリーヌによるものです。彼は、脳の左視覚系の小さな領域に影響を及ぼす脳卒中により、患者が選択的に読み書きができなくなることを発見しました。文字と単語のみの視覚認識の喪失である「言語失明」は、彼が患者に対して下した最初の診断であり、同時に脳の読み書きの皮質基盤に関する最初の結論でした。デジェリーヌの患者は数字を認識できたため、文字と単語の認識を担う脳の別の領域が存在することがさらに示唆されました。さらに研究を進めると、このフランスの神経学者は、患者の左半球の後部、紡錘状小葉付近に病変があることを発見しました。現在、多くの患者が言語失明と同じ症状を経験していますが、この用語は純粋失読症に変更されました。これは現在、後頭側頭溝の病変の結果であることがわかっています。[4]
この仮説に関連する理論は、進化論の適応の概念であり、いくつかの進化した特徴は当初は他の機能のために選択されたが、後に現在の役割に適応したと述べている。本質的には、進化圧力が既存のメカニズムに作用して、より文化的に関連のある可能性のある新しい機能に適応した。[7]
デハーンの神経細胞リサイクル仮説
ニューロンのリサイクルとは、新しい文化的認知プロセスが、当初は異なるが類似した機能に割り当てられていた皮質領域に侵入するという考え方である。 [4]この皮質構造は学習前に偏りを示すが、ニューロンのリサイクルを通じて、脳内に適切な皮質領域が見つかれば、新しい機能が獲得される可能性がある。[2]この領域は認知機能の「ニューロンニッチ」と呼ばれ、生物学の生態学的ニッチの概念に類似している。[2]新しい文化的機能は、以前の機能が類似しており、それを収容できるほど可塑性がある皮質領域を見つけなければならない。[2]
ニューロンのリサイクルの概念は、進化論における適応に似ています。進化論では、いくつかの進化した機能は、単に古代の生物学的メカニズムの副産物であるとしています。 [1]しかし、このプロセスは、集団に対する進化的圧力ではなく、脳の可塑性の結果として生じる生物学的メカニズムの再利用です。[1]ニューロンのリサイクルは、進化的適応のようにゲノムの変化を必要としない、数週間から数年のうちに変化を生み出します。[2]
ニューロンリサイクル仮説は、以下の仮定に基づいています。[2]
- 人間の脳の構造は進化による解剖学的制約を受けており、無限に可塑性があるわけではありません。神経地図は幼児期に存在し、それがその後の学習に影響を与えます。
- 読み書きのような文化的ツールは、生まれたときには脳内に存在していません。むしろ、同様の機能を実行するように回路が設定され、この新しい用途に適応できるほど十分に自らを再調整できるほどの可塑性を備えた脳内のニューロンニッチを見つける必要があります。
- こうした文化的ツールが皮質領域に侵入しても、大脳皮質の本来の組織が完全に消去されることはありません。その代わりに、こうした初期の神経的制約が、学習内容に強力な影響を及ぼします。
これらの仮定に基づいて、この仮説は次のことを予測する：[2]
- それぞれの文化的ツールは、個人や文化を超えて一貫して、特定の皮質領域に関連付けられている必要があります。
- 獲得された認知プロセスに関する文化的変動は、神経的制約により制限されるはずです。
- 文化の獲得のスピードと容易さは、必要なリサイクルの量と複雑さに基づいて予測できるはずです。
読む
読書は人類の文化の一部になってからわずか5400年ほどしか経っていないため、多くの人は読書は進化の結果であるにしては近代的すぎると結論づけています[2] [8] 。ニューロンリサイクル仮説では、視覚的な単語認識は、元々物体認識のための機能を持っていた皮質構造のリサイクルの結果であると提唱されています。視覚的な単語形成領域は、物体画像によって活性化される皮質領域の多くに隣接しており、以前は物体認識の役割を果たすように偏っていたことを示唆しています。また、リサイクルされた構造は、文字の大きさ、形、大文字小文字に関係なく文字を認識する能力など、新しい機能を獲得します[8] 。
ニューロンリサイクル仮説で述べられているように、脳回路は私たちが学習できるものに偏りを生じさせます。特定された偏りの 1 つは、大脳皮質のさまざまなポイントで中心画像と周辺画像の好みが関係しています。すべての個人において、視覚的な単語フォーム領域は、細かい中心画像が非常に好まれる皮質領域に当たることが観察されました。この機能を効果的に実行するには高度な視覚精度が必要であるため、この領域は読解能力に対応するのに最も適しています。読解に関連するもう 1 つの皮質偏りは、大脳半球の側方化に起因します。読解は、言語能力[9]および小さな形状の識別に関連する左半球を一貫して活性化し、読解機能への明確な偏りを示します。私たちが読み方を学ぶときに使用する下側頭皮質には、事前適応があります。これは、不変の物体認識中に活性化される領域であり、十分な可塑性があるため、読解に必要な新しい形状や記号に対応できます。[4]
シナプス可塑性は子供の方がはるかに大きく、[4]子供が大人よりも簡単に言語を習得できる理由を説明しています。[6]子供に読書をさせると、下側頭葉皮質における人間の認知の大規模な再方向付けが行われます。[4]子供が読書の専門知識を増やすにつれて、後頭側頭溝が強化され、最終的には書くことにも特化されるようになります。[4]
視覚的単語形態領域
視覚語形野（VWFA）は、左側後頭側頭溝に位置している。[10]この領域は、線の接合部の存在を検出する腹側視覚皮質の部分と重なっており、そのため、VWFA に神経ニッチを提供していると考えられている。[10] Biederman（1987）は、線の頂点は線分よりも物体認識に重要であることを発見した。[11]文化横断的に、書き言葉で使用される文字/記号はすべて、頂点で交わる少数の線で構成されています。[8]これは、脳の制約が書記体系の発達に影響を与えており、私たちが受け入れることができる文化的発明の種類には限界があることを示唆している。さらに、コンピューターシミュレーションは、深層ニューラルネットワークにおける文字の知覚は、自然画像から学習した低レベルの視覚特徴を再利用することによって促進されることを示しており、[12]文字の形状の構造は、人間の自然環境の構造に合わせて文化的に選択されてきたという仮説を支持している。
視覚的単語形成領域の存在を裏付ける証拠は数多くある。この領域は視覚的単語を読むときにのみ活性化し、話したり聞いたりするときには活性化しない。この部位に病変があると、単語認識の障害である純粋失読症となるが、他の言語能力は損なわれない。 [2]視覚的単語形成領域は、ランダムな子音列よりも実際の単語や疑似単語を読むときに活性化するため、言語の綴りの規則性を取り入れるために適応していることが示唆される。[1]また、この領域は、無関係なバリエーション、視野のどちら側に提示されるか、大文字か小文字かに関係なく、視覚的単語を一貫して表す。[2]
算術
アラビア数字の発明は読み書きよりもさらに最近のことであり、したがって同じリサイクルプロセスの対象となっている。[1]画像研究では、暗算は左右の頭頂葉に関連しているという証拠が示されている。[13]この領域の活性化は、与えられた計算の難易度に正比例する。画像化中、視空間、言語、および計算タスクも与えられた計算タスク中にのみ、頭頂間溝内の小さな領域が活性化される。被験者がさまざまな刺激の流れの中で数字のみを検出する必要がある場合、この同じ領域が活性化されることから、計算プロセスはそれを活性化するのに必要ではなく、数字の認識のみが必要であることがわかる。頭頂間溝の損傷は、推論スキルなどの関連プロセスに障害がないまま、計算に重度の障害をもたらす。[2]
批判
ニューロンリサイクル仮説に対する主な批判は、視覚的単語形態領域の存在に関するものである。科学者たちは、一連の画像研究を通じて、単語を読むときに左後頭側頭溝が活性化され、この領域の損傷が単語の読解に支障をきたすことを発見した。[1]
批判的な科学者は、純粋失読症の患者は一般的に左後頭部の広範囲の病変を有し、視覚的語形領域の周囲に損傷領域があると主張している。したがって、結果として生じる障害がその特定の領域の病変によって引き起こされた症状であると結論付けることは不可能である。この現象に対する提案された別の説明は、後頭側頭病変が視覚処理領域を言語処理から切り離す切断症候群である。しかし、これらの患者が他の形態の物体認識に障害を示すという事実は、この理論を否定している。[14]
科学者たちは画像研究を用いて、視覚的単語形成領域が読書において明確な役割を果たしていることを発見した。しかし、彼らはまた、同じ領域が他のいくつかの物体認識および命名タスクの際にも活性化していることを発見した。さらに、被験者が話された言葉の意味を考えたり、物体の定義を聞いてそれについて意味のある決定を下したり、物体を想像したりするときにも、この領域の活性化が観察された。さらに、視覚障害者が触覚刺激を介して読むときにも同じ領域が活性化され、視覚的単語形成領域が視覚刺激以上のものを処理していることを示唆している。[14]
これらの批判に応えて、コーエンとデヘーンは、視覚的な単語形態領域の読解における機能的特化があり、それは被験者や文化を超えて再現可能であると提唱した。[15]彼らは、単語認識は前述の物体認識や命名課題など他の刺激によっても活性化されるため、単語認識に特定の選択性があるとは考えていない。[ 15 ]しかし、これはこの皮質領域が読解機能に対応するために再利用されたという事実によって説明でき、したがって他の同様の課題で活性化される可能性は低いわけではない。[15]
コーエンとデハーネは、視覚的語形領域を研究して結論に達するための2つの方向性を提案している。[15]
- 空間的位置特定
- 高解像度の空間イメージングを使用して、VWFA の再現可能な局在度の調査に焦点を当てます。これにより、この場所内の小さな領域が単語認識に特化されているかどうかを判断します。研究によると、領域全体が単語認識に特化しているわけではありません。
- 機能特化
- これを研究するには、より粗い画像化法を使用することができます。これは、視覚的な単語形態領域における読み取りプロセスの機能的特殊化を調べ、読み取りに関連するプロセスがその領域に特有であるかどうかを確認することです。
関連理論
今後の研究
新しい研究では、この仮説を応用して、目の見えない人に起こると思われる異感覚可塑性を説明している。これは、目の見えない人の他の感覚が、視力喪失の結果として鋭敏になるように見えるという事実である。目の見えない患者は、視覚による読書という新しい機能に触れることがないため、通常この機能に割り当てられている皮質領域が、別の機能に使用される。例えば、科学者は、目の見えない人の動く音を検知する神経ネットワークが、目の見える人の視覚運動を司る視覚皮質領域によって動員されるように見えることを発見した。これは、新しい機能が、その機能をサポートできる既存の皮質領域を備えたニューロンニッチを見つけなければならないという理論を裏付けている。[19]この考え方は、聴覚障害患者の異感覚や、共感覚やマガーク効果などの他の異感覚現象の説明にも応用できるかもしれない。
この仮説は、新しい機能の獲得に必要な神経プロセスを理解するのに役立ちます。この枠組みが確立されると、将来の研究ではこれらのアイデアを拡張して、教育がこれらの特定の脳領域に与える影響や、幼少期の読書や算数の限られた経験がこれらの領域にどのような影響を与えるかを研究することができます。読み書きや算数などの基本的なスキルに関して脳の可塑性がどのように機能するかについての知識は、教育技術に明確に応用できます。
参考文献
- ^ abcdefg Dehaene、S.;コーエン、L. (2007)。 「皮質マップの文化的リサイクル」。ニューロン。56 (2): 384–398。土井：10.1016/j.neuron.2007.10.004。PMID 17964253。S2CID 11364814 。
- ^ abcdefghijklm Dehaene, S. (2005). 「サルの脳から人間の脳へ：フィッセン財団シンポジウム」ケンブリッジ、マサチューセッツ州：MIT プレス。
- ^ Pascual-Leone, A.; Amedi, A.; Fregni, F.; Merabet, LB (2005). 「可塑性のある人間の脳皮質」Annual Review of Neuroscience . 28 (1): 377–401. doi :10.1146/annurev.neuro.27.070203.144216. PMID 16022601.
- ^ abcdefgh Dehaene, S. (2009). 脳で読む：人間の発明の科学と進化。ニューヨーク、ニューヨーク：ペンギングループ
- ^ ピンカー、S. (2002)。白紙の状態: 人間性の現代的否定。ニューヨーク、ニューヨーク: ペンギングループ
- ^ ab Friedenberg, J. & Silverman, G. (2012). 認知科学: 心の研究への入門. サウザンドオークス、カリフォルニア州: Sage Publications
- ^ Gould, SJ; Vrba, ES (1982). 「適応—形態の科学における欠落した用語」.古生物学. 8 (1): 4–15. doi :10.1017/S0094837300004310. S2CID 86436132.
- ^ abc Szwed, M.; Cohen, L.; Qiao, E.; Dehaene, S. (2009). 「物体と視覚的単語認識における不変線接合の役割」. Vision Research . 49 (7): 718–725. doi : 10.1016/j.visres.2009.01.003 . PMID 19200808. S2CID 10678616.
- ^ Passer, MW, Smith, RE, Atkinson, ML, Mitchell, JB, & Muir, DW (2008). 心理学：フロンティアと応用 3rd Canadian ed. トロント、オンタリオ州：McGraw-Hill Ryerson Limited
- ^ ab Dehaene , S .; Cohen, L. (2011). 「読書における視覚的単語形成領域のユニークな役割」。認知科学の動向。15 (6): 254–262。doi : 10.1016 /j.tics.2011.04.003。PMID 21592844。S2CID 14043432 。
- ^ Biederman, I (1987年4月). 「構成要素による認識：人間のイメージ理解の理論」. Psychol. Rev. 94 ( 2): 115–47. doi :10.1037/0033-295x.94.2.115. PMID 3575582. S2CID 8054340.
- ^ Testolin, Alberto; Stoianov, Ivilin; Zorzi, Marco (2017 年 9 月)。「文字の知覚は、教師なしのディープラーニングと自然な画像の特徴のリサイクルから生まれる」。Nature Human Behaviour。1 ( 9 ) : 657–664。doi : 10.1038 /s41562-017-0186-2。ISSN 2397-3374。PMID 31024135。S2CID 24504018 。
- ^ Dehaene, S.; Piazza, M.; Pinel, P.; Cohen, L. (2003). 「数字処理のための3つの頭頂回路」.認知神経心理学. 20 (3–6): 487–506. doi :10.1080/02643290244000239. PMID 20957581. S2CID 13458123.
- ^ abc Price, CJ; Devlin, JT (2002). 「視覚的単語形態領域の神話」NeuroImage . 19 (3): 473–481. doi :10.1016/S1053-8119(03)00084-3. PMID 12880781. S2CID 17614709.
- ^ abcd Cohen, L.; Dehaene, S. (2004). 「腹側ストリーム内の特殊化：視覚的単語形態領域の場合」NeuroImage . 22 (10): 466–476. doi :10.1016/j.neuroimage.2003.12.049. PMID 15110040. S2CID 10459157.
- ^ Anderson, ML (2010). 「神経の再利用: 脳の基本的な組織原理」.行動と脳科学. 33 (4): 245–313. doi :10.1017/S0140525X10000853. PMID 20964882. S2CID 15670859.
- ^ Dehaene , S.; Cohen, L.; Sigman, M.; Vinckier , F. (2005). 「書かれた言葉の神経コード：提案」。認知科学の動向。9 (7): 335–341。doi :10.1016/ j.tics.2005.05.004。PMID 15951224。S2CID 17737103 。
- ^ Collignon, O.; Voss, P.; Lassonde, M.; Lepore, F. (2009). 「視覚障害を持つ被験者の音の空間処理におけるクロスモーダル可塑性」.実験脳研究. 192 (3): 343–358. doi :10.1007/s00221-008-1553-z. PMID 18762928. S2CID 18256771.