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哺乳類の脳の解剖学では、前頭前野（PFC ）は人間の脳の前頭葉の前部を覆っています。これは前頭葉の連合野です。 [ 2 ] [ 3 ]この領域は、さまざまな状況で特定の目標を達成するために、思考を処理して適応させる役割を担っています。[ 4 ]これらの思考プロセスには、脳が集中したり、行動を制御したり、さまざまな決定を下したりすることが含まれます。[ 4 ]
前頭前野には、ブロードマン領域BA8、BA9、BA10、BA11、BA12、BA13、BA14、BA24、BA25、BA32、BA44、BA45、BA46、BA47が含まれる。[ 1 ]
この脳領域は、言語形成（ブローカ野）、視線（前頭眼野）、ワーキングメモリ（背外側前頭前野）、リスク処理（例えば腹内側前頭前野）など、幅広い高次認知機能に関与しています。この脳領域の基本的な活動は、内的な目標に従って思考と行動を調整することであると考えられています。[ 5 ]多くの著者が、人の生きる意志、人格、前頭前野の機能の間には密接な関連性があると指摘しています。[ 6 ]
この脳領域は、計画、意思決定、ワーキングメモリ、人格表現、社会的行動の調整、言語の特定の側面の制御などの実行機能に関与していると考えられています。 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]実行機能は、相反する思考を区別する能力、良いと悪い、より良いと最良の、同じと異なる、現在の活動の将来の結果を判断する能力、明確な目標に向かって努力する能力、結果を予測する能力、行動に基づく期待、および社会的「制御」（抑制しないと社会的に受け入れられない結果につながる可能性のある衝動を抑制する能力）に関連しています。
前頭皮質は具体的なルールの学習をサポートし、より前方の領域はより高いレベルの抽象化でのルールの学習をサポートします。[ 11 ]前頭前野は前頭葉の前部です。
前頭前野を定義する方法は3つ考えられます。
前頭前野は、皮質顆粒層IVの存在に基づいて細胞構築学的に定義されてきた。この基準を最初に用いたのが誰なのかは完全には明らかではない。初期の細胞構築学的研究者の多くは、前頭前野という用語の使用を、直回と吻側回を含むはるかに小さな皮質領域に限定していた（Campbell、1905年；GE Smith、1907年；Brodmann、1909年；von EconomoとKoskinas、1925年）。しかし、1935年にJacobsenは、顆粒性前頭前野領域を無顆粒性の運動野および運動前野から区別するために前頭前野という用語を使用した。[ 12 ]ブロードマン領域に関して言えば、前頭前皮質は伝統的に領域 8、9、10、11、12、13、14、24、25、32、44、45、46、および 47 を含みますが、[ 1 ]これらの領域すべてが厳密に顆粒層であるわけではなく、44 は顆粒層が乏しく、尾側 11 と眼窩 47 は顆粒層がありません。[ 13 ]この定義の主な問題点は、霊長類ではうまく機能しますが、非霊長類では機能しないことです。後者には顆粒層 IV が欠けているためです。[ 14 ]最近の研究では、科学者がサルの扁桃体領域を刺激したところ、聴覚皮質と前頭前皮質が活性化されることがわかり、これは人間で起こることと似ています。[ 15 ]
前頭前野を視床内側背側核の投射領域と定義することは、ローズとウールジーの研究[ 16 ]に基づいている。彼らは、この核が非霊長類の脳の前部と腹側に投射することを示したが、ローズとウールジーはこの投射領域を「眼窩前頭」と呼んだ。1964年に初めて、この基準が霊長類と非霊長類の前頭前野の相同体を定義するために使用できると明示的に示唆したのはアケルトであったと思われる[ 17 ]。これにより、非霊長類には顆粒状の前頭皮質がないにもかかわらず、相同性を確立することが可能になった。
投射領域の定義は、その有用性には疑問が呈されているものの、今日でも広く受け入れられている（例： Fuster [ 18 ] ）。 [ 13 ] [ 19 ]現代の神経路追跡研究では、霊長類において視床内側背側核の投射は顆粒前頭皮質に限定されないことが示されている。その結果、前頭前皮質は、他のどの視床核よりも内側背側核との相互接続が強い皮質領域として定義することが提案された。[ 14 ]しかし、 Uylings ら[ 14 ]は、この基準を適用しても、前頭前皮質を明確に定義することはかなり難しいかもしれないと認めている。
前頭前野の3つ目の定義は、電気刺激によって目に見える動きを引き起こさない前頭皮質の領域である。例えば、1890年にDavid Ferrier [ 20 ]はこの意味でこの用語を使用した。この定義の1つの複雑な点は、電気的に「静止」した前頭皮質には顆粒状領域と非顆粒状領域の両方が含まれることである。[ 13 ]
ストリードター[ 21 ]によれば、ヒトの前頭前野は、機能的、形態的、進化的に異なる2つの領域に分けられる。腹内側前頭前野（vmPFC）は、以下の要素から構成される。
そして外側前頭前野（LPFC）は、以下の要素から構成される。
LPFCには、ブロードマン領域BA8、BA9、BA10、BA45、BA46、BA47が含まれます。一部の研究者はBA44も含めます。vmPFCには、ブロードマン領域BA12、BA25、BA32、BA33、BA24、BA11、BA13、BA14が含まれます。
下の表は、ブロードマン領域に基づいて人間の前頭前皮質の各部分を細分化するさまざまな方法を示しています。[ 1 ]
前頭前野は、他の皮質、皮質下、脳幹部位との広範な接続を含め、脳の大部分と高度に相互接続されています。[ 24 ]背側前頭前野は、特に注意、認知、行動に関与する脳領域と相互接続されており、[ 25 ]一方、腹側前頭前野は、感情に関与する脳領域と相互接続されています。[ 26 ]前頭前野は、脳幹の覚醒システムからの入力も受けており、その機能は特に神経化学的環境に依存しています。[ 27 ]したがって、覚醒状態と精神状態の間には協調関係があります。[ 28 ]デュアルシステムモデルで提唱されているように、前頭前野と脳の社会情動システムとの相互作用は、青年期の発達に関連しています。
内側前頭前野は徐波睡眠（SWS）の生成に関与しており、前頭前野の萎縮はSWSの減少と関連付けられています。[ 29 ]前頭前野の萎縮は加齢に伴って自然に起こり、高齢者では内側前頭前野が劣化するにつれて記憶の固定化に障害が生じることが実証されています。 [ 29 ]高齢者では、SWS中に新皮質に転送されて保存される代わりに、記憶は符号化された海馬に留まり始めます。これは、被験者が単語の関連付けを学習し、睡眠をとり、その後学習した単語を想起するように求められたときの想起課題中に、若い成人と比較して海馬の活動が増加したことから明らかです。 [ 29 ]
腹外側前頭前野（VLPFC）は、発話生成と言語理解のさまざまな側面に関与している。VLPFCは、外側および内側側頭葉、上側頭皮質、下側頭皮質、嗅周皮質、傍海馬皮質など、脳のさまざまな領域と豊富に接続されている。[ 30 ]これらの脳領域は、記憶の想起と固定、言語処理、感情の関連付けに関与している。これらの接続により、VLPFCは明示的および暗黙的な記憶の想起を仲介し、それを言語刺激と統合して、一貫性のある発話の計画を助けることができる。[ 31 ]つまり、会話中に適切な単語を選択し、「話題から逸れない」ことは、VLPFCから生じている。
フスターとゴールドマン＝ラキッチの初期の研究では、前頭前野が現在環境に存在しない情報を表現する基本的な能力と、この機能が「メンタルスケッチパッド」の作成において中心的な役割を果たすことが強調されました。ゴールドマン＝ラキッチは、この表現知識が、不適切な思考、注意散漫、行動、感情の抑制を含め、思考、行動、感情を知的に導くためにどのように使用されるかについて述べています。[ 32 ]このように、ワーキングメモリは注意と行動抑制の基本的なものと見なすことができます。フスターは、この前頭前野の能力が過去と未来の統合を可能にし、目標指向の知覚-行動サイクルの作成において、時間的および感覚的両方の関連付けを可能にする方法について述べています。[ 33 ]この表現能力は、他のすべての高次実行機能の基盤となっています。前頭前野は、情報の記憶、認知の柔軟性、抑制制御など、多くの実行機能を担っています。前頭前野はこれらの役割を担っていますが、他の脳領域も重要な役割を果たしているため、前頭前野だけがこれらの責任を担っているわけではありません。[ 34 ]例えば、扁桃体は状況を理解し、どのように反応するかを決定するために、46dとして知られる前頭前皮質領域に信号を送ります。[ 15 ]
島村は、実行機能における前頭前野の役割を説明するために動的フィルタリング理論を提唱した。前頭前野は、目標指向的な活性化を強化し、無関係な活性化を抑制する高レベルのゲーティングまたはフィルタリング機構として機能すると考えられている。このフィルタリング機構により、活性化の選択、維持、更新、再ルーティングなど、さまざまな処理レベルでの実行制御が可能になる。また、感情調節の説明にも用いられている。[ 35 ]
ミラーとコーエンは、ゴールドマン＝ラキッチとフスターの原著論文から派生した前頭前皮質機能の統合理論を提唱した。この二人は、「認知制御は、目標とそれを達成するための手段を表す前頭前皮質の活動パターンを積極的に維持することによって生じる。これらのパターンは、他の脳構造にバイアス信号を提供し、その最終的な効果は、特定のタスクを実行するために必要な入力、内部状態、出力間の適切なマッピングを確立する神経経路に沿った活動の流れを導くことである」と理論づけている。[ 36 ]要するに、この二人は、前頭前皮質が入力と接続を導き、それによって私たちの行動の認知制御が可能になると理論づけている。
前頭前野は、トップダウン処理が必要な場合に非常に重要な役割を果たします。トップダウン処理とは、定義上、行動が内部状態や意図によって導かれる場合を指します。この2人によれば、「感覚入力、思考、行動間のマッピングが、他の既存のマッピングに比べて確立が弱いか、急速に変化している状況では、前頭前野が極めて重要となる」とのことです。[ 36 ]この例は、ウィスコンシンカード分類テスト（WCST）で示すことができます。この課題に取り組む被験者は、カードに表示されている形、色、またはシンボルの数に従ってカードを分類するように指示されます。これは、特定のカードが複数の行動に関連付けられる可能性があり、単一の刺激反応マッピングでは機能しないという考えに基づいています。前頭前野に損傷を受けた被験者は、最初の単純な課題ではカードを分類できますが、分類ルールが変化すると分類できなくなります。
ミラーとコーエンは、彼らの理論の示唆するところによれば、前頭前野が認知行動の制御を導く上でどれほどの役割を果たしているかを説明できると結論付けている。研究者自身の言葉によれば、「前頭前野の表象は、影響を受ける対象に応じて、注意のテンプレート、ルール、または目標として様々に機能し、タスクを実行するために必要な経路に沿った活動の流れを導くトップダウンのバイアス信号を脳の他の部分に提供する」と主張している。[ 36 ]
実験データは、前頭前皮質が正常な睡眠生理、夢、睡眠不足現象の媒介に役割を果たしていることを示している。[ 37 ]
他者の属性を分析したり考えたりする際には内側前頭前野が活性化されるが、無生物の特性を熟考する際には活性化されない。[ 38 ]
fMRIを用いた研究では、内側前頭前野（mPFC）、特に前内側前頭前野（amPFC）が模倣行動を調節する可能性があることが示されている。神経科学者たちは、社会的プライミングがamPFCの活動と処理に影響を与え、前頭前野のこの領域が模倣反応と行動を調節すると示唆している。[ 39 ]
最近の研究では、神経画像技術を用いて、基底核に加えて前頭前皮質が事例学習に関与していることが発見されました。これは、私たちの心が物事を分類する3つの主要な方法の1つである事例理論の一部です。事例理論では、私たちは記憶に保存されている類似の過去の経験と比較することによって判断を分類するとされています。[ 40 ]
アリゾナ大学のニコール・P・ユアン教授による2014年のメタ分析では、前頭前野の体積が大きいほど、また前頭前野の皮質の厚さが大きいほど、実行機能のパフォーマンスが優れていることがわかった。[ 41 ]
脳の前頭前野の機能に関する広く受け入れられている理論は、それが短期記憶の貯蔵庫として機能するというものである。この考えは、1936年に霊長類の前頭前野の損傷が短期記憶障害を引き起こすことを報告したヤコブセンによって最初に提唱された。[ 43 ]カール・プリブラムらは（1952年）、この障害の原因となっている前頭前野の部位を、背外側前頭前野（dlPFC）としても知られる46野 であると特定した。[ 44 ]さらに最近では、ゴールドマン＝ラキッチらは（1993年）、dlPFCの一部を一時的に不活性化することで、空間の局所領域で短期記憶喪失を誘発した。[ 45 ]アラン・バデリー(1986)によって作業記憶の概念(バデリーの作業記憶モデルも参照) が現代神経科学で確立されると、これらの神経心理学的知見は、前頭前野が作業記憶を実装し、極端な定式化では作業記憶のみを実装するという理論に貢献した。 [ 46 ] 1990 年代にはこの理論は広く支持され、特に非ヒト霊長類において、PF 機能の主流の理論となった。この理論の提唱者が用いた作業記憶の概念は、主に情報の短期的な維持に焦点を当てており、そのような情報の操作や監視、あるいは意思決定のためのその情報の使用についてはあまり重視していなかった。前頭前野が主に維持記憶で機能するという考えと一致して、PF の遅延期間活動はしばしば記憶痕跡として解釈されてきた。 （「遅延期間活動」という用語は、指示合図の一時的な提示に続いて発生し、その後の「開始」または「トリガー」信号が提示されるまで持続する神経活動を指します。）
前頭前皮質の遅延期間活動の代替解釈を探るため、Lebedev ら (2004) は、サルが別のマークされていない場所を記憶しながら、ある場所を示す刺激に注意を向けているときの前頭前皮質の単一ニューロンの発火率を調査した。[ 42 ]両方の場所はサッカード眼球運動の潜在的なターゲットとして機能した。この課題は短期記憶に大きな負荷をかけたが、前頭前皮質ニューロンの大部分は記憶された場所ではなく、注意を向けられた場所を表していた。これらの結果は、短期記憶機能では、調査した前頭前皮質の部分における遅延期間活動のすべて、あるいは大部分さえも説明できないことを示した。著者らは、遅延期間中の前頭前皮質活動は、記憶の貯蔵よりも注意の選択 (および選択的注意) のプロセスに大きく寄与していると示唆した。[ 10 ] [ 47 ]
前頭前野のさまざまな領域は、発話生成、言語理解、発話前の応答計画に関する多数の重要な機能に関与していることが示唆されている。[ 9 ]認知神経科学は、左腹外側前頭前野が単語や文の処理に不可欠であることを示している。
右前頭前野は、発話に使用する明示的記憶の想起を調整する役割を担っていることが分かっている一方、左前頭前野の不活性化は、動詞生成に使用する暗黙的記憶の想起を媒介する役割を担っている。[ 9 ]右前頭前野が損傷した健忘症患者の中には、名詞（明示的記憶）の想起が障害される人もいるが、動詞生成は左前頭前野の不活性化に依存しているため、損なわれない。[ 31 ]
現在、多くの研究者はBA45を前頭前野に含めています。なぜなら、BA44とともに前頭葉のブローカ野と呼ばれる領域を構成しているからです。[ 23 ]ブローカ野は、脳の言語生成経路の出力領域として広く考えられています（内側側頭葉のウェルニッケ野は言語入力領域と見なされています）。BA45は、会話/発話で使用される関連する意味知識の検索に関与していることが示されています。[ 9 ]右外側前頭前野（RLPFC）は複雑な行動の計画に関与しており、両側のBA45とともに、発話中の集中力と一貫性を維持する働きをします。[ 31 ]しかし、若者では発話の一貫性を維持する際に左BA45が有意に活性化することが示されています。高齢者は、若者よりも右BA45をより多く動員することが示されています。[ 31 ]これは、加齢に伴う他の脳システムの側性化の低下という証拠と一致する。
さらに、高齢患者におけるBA47と組み合わせたBA45およびRLPFC活動の増加は、「話題から外れた発話」に寄与することが示されている。前頭前皮質のBA47領域は、会話に貢献するために必要なものよりも重要度の低い知識の「刺激駆動型」検索に関与している。[ 31 ]言い換えれば、BA47の活性化の上昇とBA45およびより広範なRLPFCの活動の変化が、高齢者において関連性の低い情報や無関係な脱線した会話パターンの包含に寄与することが示されている。
ここ数十年、脳画像システムが脳領域の体積と神経結合の決定に使用されてきた。いくつかの研究では、精神障害と診断された患者、繰り返しストレスにさらされた人、[ 48 ]性的に露骨な素材を過剰に消費する人、[ 49 ]自殺者、[ 50 ]犯罪者、社会病質者、鉛中毒の影響を受けた人、[ 51 ]少なくとも人間の罪悪感や後悔を感じ、現実を解釈する能力の一部は、前頭前野の良好な機能に依存していると考えられている。[ 52 ]人間の前頭前野の高度な神経回路と自己制御機能は、人間の高い知覚と知性にも関連している。[ 53 ]人間の前頭前野は、他のどの動物よりも脳のかなり大きな割合を占めている。人類の進化の500万年の間に脳の大きさが3倍になったのに伴い、[ 54 ]前頭前野の大きさが6倍になったと理論づけられている。[ 55 ]
健康な運動者の実行機能に関するレビューでは、内側縦溝によって分割された前頭前野の左右半分が、継続的な有酸素運動に反応して相互接続性が高まることが指摘されている。[ 56 ]構造的神経画像研究の2つのレビューでは、中強度の運動を数か月間行う健康な成人において、前頭前野と海馬の灰白質体積が著しく改善することが示されている。[ 57 ] [ 58 ]
慢性的なアルコール摂取は、意思決定能力の変化を含む脳機能の持続的な変化を引き起こします。慢性アルコール中毒者の前頭前皮質は、酸化DNA損傷と神経細胞死に対して脆弱であることが示されています。[ 59 ]
前頭前皮質の機能に関する最も有名な事例は、 1848年の事故で大きな鉄棒が頭を貫通し、左前頭葉が破壊されたフィニアス・ゲージの事例だろう。一般的な説明では、ゲージは記憶力、言語能力、運動能力は正常だったものの、性格が劇的に変化したとされている。以前は見られなかったような、イライラしやすく、短気で、せっかちな性格になり、友人たちは彼を「もはやゲージではない」と評した。また、以前は有能で効率的な働き手だったが、その後は仕事を完遂できなくなった。[ 60 ]しかし、一次資料を注意深く分析すると、ゲージの心理的変化に関する記述は、ゲージの主治医による記述と比較すると、通常誇張されていることがわかる。最も顕著な特徴は、ゲージの死後数年経ってから記述された変化が、生前に報告されたものよりもはるかに劇的であるということである。[ 61 ] [ 62 ]
前頭前野損傷患者を対象としたその後の研究では、患者は特定の状況下で最も適切な社会的反応を言葉で表現できることが示された。しかし、実際に行動を起こす際には、長期的な結果が自己破滅的であることを知っていながらも、目先の満足を追求する行動をとることが明らかになった。
このデータの解釈によれば、比較能力や最終的な結果を理解する能力は前頭前野に備わっているだけでなく、前頭前野は（正常に機能している場合）、より良い、あるいはより満足のいく長期的な結果を得るために、目先の満足を遅らせるという精神的な選択肢も制御していることが示唆される。報酬を待つこの能力は、人間の脳の最適な実行機能を定義する重要な要素の一つである。
神経疾患における前頭前皮質の役割を理解するための研究が現在数多く行われている。前頭前皮質の機能を改善することが示されている特定の薬剤、例えばα2Aアドレナリン受容体を介して作用するグアンファシンなどについて臨床試験が開始されている。この薬剤の下流標的であるHCNチャネルは、前頭前皮質薬理学における最新の研究分野の1つである。[ 63 ]
脳の一部を表す「前頭前野」という用語は、1868年にリチャード・オーウェンによって導入されたようです。 [ 12 ]彼にとって、前頭前野は前頭葉の最前部（おおよそ前頭極に相当）に限られていました。彼がこの用語を選んだのは、ほとんどの両生類や爬虫類に存在する前頭前野骨に基づいているという仮説があります。 [ 12 ]
注意、抑制、感情、複雑な学習、心の理論処理のトップダウン制御の中心となる前頭前野は、多くの重要な下位区分から構成される異質な脳回路である（Duncan、2001）。
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