神経科学と知能

神経科学と知能とは、種内または異なる種間の知能の変動に部分的に関与するさまざまな神経学的要因を指します。この分野での膨大な研究は、人間の知能の神経的基礎に焦点を当てています。知能の神経科学を研究する歴史的なアプローチは、頭囲などの外部頭部パラメータと知能の相関関係を調べることでした。^[1]死後の脳重量と脳容積の測定も使用されてきました。^[1]最近の手法は、磁気共鳴画像法 ( MRI )、機能的 MRI (fMRI)、脳波記録(EEG) 、陽電子放出断層撮影法、その他の脳構造と活動の非侵襲的測定などの技術を使用して、生きた脳内の知能の相関関係を調べることに焦点を当てています。^[1]

研究者たちは、脳内の知能とその機能の相関関係を特定することに成功しました。これには、脳全体の容積、^[2]灰白質の容積、^[3]白質の容積、^[4]白質の完全性、^[5]皮質の厚さ^[3]および神経の効率が含まれます。^[6]

知的システムのパラメータ、その出現と進化のパターン、特徴、構造と機能の定数と限界を分析することで、コミュニケーション能力（約100 m/s）の測定と比較、知的システムの構成要素の数（約10 ^{11個のニューロン）の定量化、協力を担う成功したリンクの数（約10 14個の}シナプス）の計算が可能になった 。^[7]

人間の知能の神経基盤を理解するための証拠は過去30年間で大幅に増加しましたが、それを完全に理解するにはさらに多くの研究が必要です。^[1]

知能の神経基盤は霊長類、鯨類、げっ歯類などの動物でも研究されてきた。^[8]

知能と脳の関係を確立するために使用される主な方法の 1 つは、脳容積の測定です。^[1]脳容積を推定する最も初期の試みは、脳の大きさの代理として頭囲などの外部頭部パラメータの測定を使用して行われました。^[1]この関係を研究するために採用されたより最近の方法論には、死後の脳重量と容積の測定が含まれます。これらには独自の限界と長所があります。^[9]生きた脳の構造と機能を非侵襲的に高精度に測定する MRI (fMRI を使用) の登場により、これが脳容積を測定するための支配的で好ましい方法になりました。^[1]

全体的に、脳のサイズと容積が大きいほど、認知機能が向上し、知能も高くなります。^[1]容積と知能の相関が最も強い領域は、脳の前頭葉、側頭葉、頭頂葉です。^{[10] [11] [12]}多数の研究が行われ、一様に正の相関が見られ、脳が大きいほど知能も高いという結論に概ね間違いありません。^{[13] [14]}健康な成人の場合、高品質のテストを使用した場合、脳の全容積とIQの相関は約0.4です。^[15] UKバイオバンクを使用した大規模研究（n = 29k）では、相関が.275であることがわかりました。この関係の強さは性別に依存せず、以前の研究と矛盾していました。^[16] 2つの中規模サンプルで兄弟デザインを使用した研究では、効果サイズが.19の因果関係の証拠が見つかりました。^{[17]この研究デザインでは、家族間で異なる}交絡因子は除外されますが、家族内で異なる交絡因子は除外されません。

脳全体の容積よりも小さいスケールでの変化についてはあまり知られていない。マクダニエルによるメタ分析レビューでは、知能と生体内脳サイズの相関は、女性（0.40）の方が男性（0.25）よりも大きいことがわかった。^[18]同じ研究では、脳サイズと知能の相関は年齢とともに増加し、子供では相関が小さいこともわかった。^[18]脳容積が大きいことと知能が高いことの関連は、特定の脳領域の変動に関連していると示唆されており、脳全体の測定ではこれらの関連を過小評価することになる。^[10]一般的な知能よりも特定の機能については、地域的な影響がより重要である可能性がある。たとえば、新しい単語を学ぶ青年では、語彙の増加が両側の後縁上回の灰白質密度と関連していることが示唆されている。^[19]小規模な研究では、後頭側頭皮質における灰白質の一時的な変化が、新しい身体スキル（ジャグリング）の発達に関連していることが示されている^[20]

脳の容積は知能を完全に説明するものではない。その関係性は知能のわずかな変動、つまり変動の12%から36%を説明する。^{[9] [10]}脳の容積によって説明される変動の量は、測定される知能の種類によっても異なる可能性がある。^[9]言語性知能の変動の最大36%は脳の容積で説明できるが、視空間性知能の変動の場合は脳の容積で説明できるのは約10%に過ぎない。^[9]研究者スチュアート・J・リッチーによる2015年の研究では、脳の大きさが個人間の知能の変動の12%を説明することがわかった。^[21]これらの注意点は、脳の大きさとは別に、個人の知能に影響を与える主要な要因があることを示唆している。^[1] 88の研究からなる大規模なメタ分析で、Pietschnig et al. (2015) は、脳容積と知能の相関関係を相関係数約 0.24 と推定し、これは 6% の分散に相当します。^[22]測定品質、サンプルタイプ、IQ 範囲を考慮すると、脳容積のメタ分析による関連性は、正常な成人では約 .4 であると思われます。^[15]研究者の Jakob Pietschnig は、脳容積と IQ の正の関連性の強さは依然として強力であるが、文献では過大評価されていると主張しました。彼は、「この関連性を人間の認知進化と脳の大きさや認知能力の種の違いという文脈で解釈したくなるが、脳の大きさを人間の知能の違いの同形プロキシとして解釈することは正当化されないことを示している」と述べています。^[22]

灰白質は、知能の違いの潜在的な生物学的基盤として研究されてきました。脳容積と同様に、灰白質全体の容積は知能と正の相関関係にあります。^[1]より具体的には、成人の前頭前野と後側頭皮質の皮質灰白質が大きいほど知能が高いことが示されています。^[3]さらに、言語的知能と非言語的知能の両方が、若い健康な成人の頭頂葉、側頭葉、後頭葉の灰白質容積と正の相関関係にあることが示されており、知能は脳内のさまざまな構造と関連していることを示唆しています。^[23]

男性と女性では、灰白質と知能の関係に性差があるようです。 ^{[24]男性は前頭葉と頭頂葉で灰白質と知能の相関関係がより強く見られるのに対し、女性では前頭葉と}ブローカ野で知能と灰白質の最も強い相関関係が見られます。^[24]しかし、これらの違いは全体的な知能に影響を与えないようで、同じ認知能力レベルが異なる方法で達成できることを示唆しています。^[24]

脳の領域における知能と相関する灰白質を研究するために使用される特定の方法論の 1 つは、ボクセル ベース形態測定(VBM) として知られています。VBM を使用すると、研究者は高い空間分解能で関心領域を指定できるため、知能と相関する灰白質領域をより高い特殊分解能で検査できます。VBM は、健康な成人の前頭葉、側頭葉、頭頂葉、後頭葉の灰白質と知能の相関関係を明らかにするために使用されています。^[25] VBM はまた、55 人の健康な成人のグループで、前頭前皮質の内側領域と背内側前頭前皮質の灰白質の体積が知能と相関していることを示すために使用されています。 ^[26] VBM はまた、5 歳から 18 歳の子供の前帯状皮質の灰白質の体積と知能の相関関係を明らかにするためにも使用されています。^[27]

灰白質は子供の知能と正の相関関係にあることも示されている。^{[27] [28] [29]} Reis ら^[29]は、5 歳から 17 歳の子供の知能のばらつきに最も大きく寄与しているのは前頭前野の灰白質であるのに対し、皮質下の灰白質は知能とそれほど関連がないことを発見した。 Frangou ら^[28]は、12 歳から 21 歳の子供と若年成人の灰白質と知能の関係を調べ、眼窩前頭皮質、帯状回、小脳、視床の灰白質は知能と正の相関関係にあるのに対し、尾状核の灰白質は知能と負の相関関係にあることを発見した。しかし、灰白質の体積と知能の関係は時間の経過とともにしか発展せず、11 歳未満の子供の灰白質の体積と知能の間には有意な正の相関関係は見られない。^[27]

灰白質の容積と知能の関係を研究する際の根本的な注意点は、神経効率の仮説によって実証されている。^{[6] [30]}知能の高い人ほどニューロンをより効率的に使用しているという発見は、灰白質と知能の相関関係が、使われていないシナプスの選択的除去を反映しており、したがって脳の回路がより優れていることを示している可能性がある。^[31]

灰白質と同様に、白質は人間の知能と正の相関関係にあることが示されています。^{[1] [4]}白質は主に髄鞘のある神経軸索で構成され、ニューロン間の信号の伝達を担っています。白質のピンクがかった白色は、実際には他のニューロンに信号を送信しているニューロンを電気的に絶縁するこれらの髄鞘の結果です。白質は、大脳の灰白質のさまざまな領域を接続します。これらの相互接続により、転送がよりシームレスになり、タスクの実行が容易になります。知能と脳梁の間には有意な相関関係があることが判明しており、脳梁領域が大きいほど認知能力と正の相関関係にあることがわかっています。^[1]しかし、言語性知能と非言語性知能では白質の重要性に違いがあるようで、言語性知能と非言語性知能の指標はどちらも脳梁の大きさと正の相関関係にあるものの、知能と脳梁の大きさの相関は非言語性指標の方が言語性指標（.18）よりも大きかった（.47）。^[32]解剖学的メッシュベースの幾何学的モデリング^{[33] [ 34] [35]}でも、健康な成人の脳梁の厚さと知能の間には正の相関関係があることが示されている。^[36]

白質の完全性は知能にも関連していることがわかっています。^[5]白質路の完全性は情報処理速度にとって重要であるため、白質の完全性の低下は知能の低下に関連しています。^[5]白質の完全性の影響は、情報処理速度によって完全に媒介されます。^[5]これらの発見は、脳が構造的に相互接続されており、軸索繊維が高速情報処理、ひいては一般的な知能に不可欠であることを示しています。^[5]

上記の調査結果とは矛盾して、VBMは健康な成人の脳梁と知能の関係を発見できなかった。^[25]この矛盾は、白質の容積と知能の関係が灰白質と知能の関係ほど強固ではないことを示していると見ることができる。^[1]

皮質の厚さは、人間の知能と正の相関関係にあることもわかっています。^[3]しかし、皮質の厚さの成長率も知能に関連しています。^[31]幼少期には、皮質の厚さは知能と負の相関関係を示しますが、幼少期後期にはこの相関関係は正の相関関係に変わります。^[31]知能の高い子供は、知能の低い子供よりも皮質の厚さがより着実に、より長い期間にわたって発達することがわかりました。^[31]研究では、皮質の厚さが個人間の知能のばらつきの 5% を説明することがわかりました。^[21]異なるグループの人々の間で皮質の厚さと一般的な知能との関連性を見つけるために行われた研究では、性別は知能に影響を与えませんでした。^[37]社会経済的状況や教育レベルが異なるため、皮質の厚さに基づいて年齢に知能を結び付けることは困難ですが、年長の被験者 (17 - 24 歳) は、年少の被験者 (19 - 17 歳) と比較して、知能のばらつきが少ない傾向がありました。^{[37] [疑わしい–議論]}

皮質の畳み込みは、人類の進化の過程で脳表面の折り畳みを増加させてきました。皮質の畳み込みの程度が高いことは、人間の脳の最も特徴的な認知能力のいくつかを支える神経学的基質である可能性があるという仮説があります。その結果、人間種内の個々の知能は皮質の畳み込みの程度によって調整される可能性があります。^[38]

2019年に発表された分析によると、677人の小児および青年（平均年齢12.72歳）の脳の輪郭では、IQと脳の左側にある上縁回の表面積の間にほぼ1の遺伝的相関関係があることがわかりました。 ^{[39] [40]}

神経効率仮説は、より知能の高い人ほど、グルコース代謝で測定される認知タスク中の脳の活性化が少ないと仮定している。^[6]参加者の小さなサンプル（N = 8）は、PETスキャンで測定された知能と絶対的な局所代謝率の間に-0.48から-0.84の範囲の負の相関を示し、より賢い人はより少ないエネルギーで情報を処理することを示唆した。^[6] NeubauerとFinkによる広範なレビュー^{[41]によると、多数の研究（N = 27）がPETスキャン、 [42]、} EEG ^[43] 、fMRIなどの方法を使用してこの発見を確認している。^[44]

fMRIとEEGの研究により、課題の難易度が神経効率に影響を与える重要な要因であることが明らかになっています。^[41]より知能の高い人は、主観的に簡単から中程度の難易度の課題に直面した場合にのみ神経効率を示しますが、難しい課題では神経効率は見られません。^[45]実際、より有能な人は、高難易度の課題に多くの皮質リソースを投入しているようです。^[41]これは特に前頭前皮質に当てはまるようで、知能の高い人は、知能の低い人と比較して、難しい課題中にこの領域の活性化が増加しました。^{[46] [47]}神経効率現象の主な理由は、知能の高い人は知能の低い人よりも干渉情報を遮断するのが得意なためである可能性があると提案されています。^[48]

科学者の中には、測定可能な既知の機能領域の大きさと関連づけるために、より定性的な変数に注目することを好む人もいます。例えば、一次視覚野の大きさとそれに対応する視覚パフォーマンスの機能とを関連付けるなどです。 ^{[49] [50]}

エイボン親子縦断研究コホートから633人の正期産児の頭の成長を調べた研究では、出生前の成長と乳児期の成長がその後のIQと関連していることが示された。この研究の結論は、子供が1歳までに達成する脳の容積がその後の知能を決定するのに役立つというものである。乳児期以降の脳容積の成長は、乳児期の貧弱な成長を補うものではないかもしれない。^[51]

IQと近視の間には関連性がある。1つまたは複数の多面的遺伝子が脳の新皮質部分と眼の大きさに同時に影響を及ぼすという説明が提案されている。 ^[52]

2007年、Behavioral and Brain Sciences誌は、37件の査読済み神経画像研究（Jung & Haier、2007）に基づいて知能の生物学的モデルを提示した論文を発表しました。機能画像（機能的磁気共鳴画像法と陽電子放出断層撮影法）と構造画像（拡散MRI、ボクセルベースの形態計測、生体内磁気共鳴分光法）からの豊富なデータをレビューし、人間の知能は前頭葉と頭頂葉の脳領域を含む分散型かつ統合型の神経ネットワークから生じると主張しています。^[53]

バーベイとその同僚が最近行った病変マッピング研究は、知能のP-FIT理論を支持する証拠を提供している。^{[54] [55] [56]}

幼少期に脳の片側だけに生じた脳損傷では、通常、知的機能は比較的保たれ、IQは正常範囲内に留まります。^[57]

脊椎動物の脳の大きさに関する別の理論は、それが機械的スキルではなく社会的スキルに関係しているかもしれないというものである。皮質の大きさはペアで結ばれるライフスタイルに直接関係しており、霊長類では大脳皮質の大きさは大規模で複雑な社会的ネットワークで生活する要求に直接関係している。他の哺乳類と比較すると、霊長類の脳の大きさは著しく大きい。さらに、ほとんどの霊長類は一夫多妻制で、他の霊長類と多くの社会的関係を持っていることがわかっている。決定的ではないが、いくつかの研究ではこの一夫多妻制の体格が脳の大きさと相関していることが示されている。^[58]

チンパンジーの知能は、人間と同様に、脳の大きさ、灰白質の体積、皮質の厚さに関連していることがわかっています。^[59]

健康に関連するいくつかの環境要因は、特に脳が成長中で血液脳関門の働きが低い妊娠中や小児期に発生すると、重大な認知障害につながる可能性がある。先進国では、認知機能に影響を与えることが知られている栄養素や毒素に関するいくつかの健康政策を実施している。これには、特定の食品の栄養強化を義務付ける法律や、汚染物質（鉛、水銀、有機塩素化合物など）の安全レベルを定める法律などが含まれる。子供の認知障害の軽減を目標とした包括的な政策提言が提案されている。^[60]

• 子どものための神経科学
• Deary, IJ; Penke, L.; Johnson, W. (2010). 「人間の知能の違いに関する神経科学」(PDF) . Nature Reviews Neuroscience . 11 (3): 201–211. doi :10.1038/nrn2793. hdl : 20.500.11820/9b11fac3-47d0-424c-9d1c-fe6f9ff2ecac . PMID  20145623. S2CID  5136934.
• ジェレミー・R・グレイ、イェール大学心理学部、およびポール・M・トンプソン、カリフォルニア大学ロサンゼルス校医学部神経学科神経イメージング研究所 (2004 年 6 月)。「知能の神経生物学: 科学と倫理」(PDF) 。ネイチャー パブリッシング グループ、第 5 巻。2006 年 9 月 3 日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2006年8 月 6 日に取得。{{cite web}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)