Distinct and shared neural resources between processing of dynamic physical objects and spatial working memory

脳の十徳ナイフ vs. 特化型の道具

あなたの脳が、活気ある都市であると想像してみてください。この都市には、特定の仕事に従事する専門の地区があります。メロディを聴くための「音楽地区」、言葉を理解するための「言語地区」、そして色を見るための「視覚地区」です。しかし、そこには一般的な「ダウンタウン」と呼ばれるエリアもあります。これはしばつて前頭頭頂皮質と呼ばれ、数学の問題を解いたり、赤いボタンを押すのを自分に止めたり、電話番号を覚えたりといった、困難な課題に直面するたびに光り輝きます。科学者たちは、この忙しいダウンタウンと、専門の各地区との関係について長い間疑問を抱いてきました。具体的には、物体がどのように動き、衝突し、落下するかを理解するためだけの特別な「物理学地区」が脳内にあるのでしょうか？ それとも、その同じダウンタウン・エリアが、複雑な物理の問題と一般的な精神的体操の両方をこなす、二役を担っているのでしょうか？

これを理解するには、2つのことを知る必要があります。第一に、「直感的物理学（Intuitive Physics）」とは、私たちが皆持っている、世界の仕組みを推測する自然な能力のことです。例えば、底の部分を押すと積み木が崩れることや、ボールが壁に跳ね返ることなどを知っている状態です。第二に、「空間ワーキングメモリ（Spatial Working Memory）」とは、自転車をどこに停めたかを思い出したり、混雑した部屋で友人の動きを追ったりするように、頭の中に場所を留めておくための「心の付箋」です。大きな疑問はこうです。脳は、物理学のためだけに専用のチーム（ニューロン）を使っているのか、それとも、あらゆる困難なタスクを処理する一般的な「働き者」のチームを動員しているだけなのか？ もし同じチームであれば、物理学が得意であるということは、単に非常に強力な一般的な注意力を持っていることを意味するかもしれません。もし独自のチームであれば、物理学はそれ自体が特別なスキルなのです。

脳のダブルシフト

この研究において、ジョンズ・ホプキンス大学のサミュエル・マイオネ氏とシャリ・リュー氏は、28人の成人の脳の中で「違い探し」をするゲームを行うことにしました。彼らは、物理的な物体（ビリヤードの球が跳ねるようなもの）について考えることを好む脳領域が、難しい記憶パズルを解くことを好む領域と全く同じであるかどうかを調べようとしました。

彼らは参加者をMRI装置に入れ、主に2つの課題を与えました。第一に、動く点のビデオを見せました。点は時として、物理的な物体（ビリヤードの球のように壁に跳ね返る）のように振る舞い、時として社会的エージェント（友達のように追いかけ合う）のように振る舞いました。参加者は、点が一時的に消えた場合に、どこへ行くかを追跡しなければなりませんでした。第二に、空間ワーキングメモリ・ゲームを行いました。参加者はグリッドを見せられ、青い正方形が現れます。「簡単な」バージョンでは、数個の正方形が光るだけでした。「難しい」バージョンでは、多くの正方形が光り、参加者はそれらが正確にどこにあったかを覚えておかなければなりませんでした。

研究者たちは、「機能的関心領域（fROI）」と呼ばれる巧妙なトリックを用いました。これは、脳の都市における、それぞれのタスクに対して最も活発に反応する特定の「近所（ネイバーフッド）」を見つけるようなものです。彼らは、「物理的近所（物理的なビデオを社会的ビデオよりも好む場所）」と、「ハードワーク近所（簡単な記憶ゲームよりも難しい記憶ゲームを好む場所）」を見つけ出しました。

彼らが発見した内容は以下の通りであり、それは少し意外な展開（プロット・ツイスト）を含んでいます。

1. 近所は重なっているが、完全ではない
「物理的近所」と「ハードワーク近所」は隣同士です。彼らはいくつかの通りを共有しています。これらのエリアにある脳細胞の約4分の1は、両方の近所に属しています。これは、脳がこれらの仕事に対して完全に独立したチームを持っているわけではなく、彼らはすぐ隣にあり、時には協力し合っていることを示唆しています。

2. 一方通行の道
ここからが非常に興味深いところです。研究者たちは奇妙な非対称性を見つけました。

• ハードワーク近所（通常、困難なタスクを扱う場所）は、タスクが物理に関するものか社会的エージェントに関するものかについては、あまり関心がないようでした。彼らは単に、タスクが難しいから反応しているだけでした。
• しかし、物理的近所（通常、物理を好む場所）は、参加者が難しい記憶ゲームを行っているときにも強く反応しました。実際、これらの「物理を好む」細胞は、記憶ゲームに対しても、物理ゲームに対しても、同様に一生懸命働いていました。

これは、専門のベーカリーが、実は最高のコーヒーショップでもあるような状況に似ています。ただし、隣のコーヒーショップはパンを一切焼かないのです。「物理」の細胞は多才です。彼らは物理もこなしますが、難しい空間メモリのタスクも喜んでこなします。一方で「ハードワーク」の細胞は、トピックについてはあまりこだわりがなく、ただ挑戦を求めているだけなのです。

3. 予測ゲーム
次に、研究者は個人の差異に注目しました。「もし、ある人が超活性化した『物理』細胞を持っていたら、その人は記憶ゲームが得意なのか？」と彼らは問いかけました。
答えは、明白なイエスでした。難しい記憶ゲーム中に「物理的近所」が最も強く反応した人々は、グリッドの位置を記憶する精度も最も高いことがわかりました。
驚くべきことに、その逆は成り立ちませんでした。「ハードワーク近所」の細胞が超活性化したとしても、必ずしもその人が記憶ゲームに優れているとは限りませんでした。記憶のパズルが得意な人を予測したのは、具体的に「物理を好む」細胞の活動でした。

これが意味すること（および、意味しないこと）

この研究は、私たちが物理的な世界を理解するために使用する脳領域が、単なる孤立したスペシャリストではないことを示唆しています。これらの領域は、一般的な空間的注意や、負荷の高いタスクにも深く関わっています。著者らは、これらの領域がハイブリッドである可能性を示唆しています。つまり、物理学を扱うのに十分な専門性を持っている一方で、空間や位置に関連する他の困難な仕事にも動員される性質を持っているということです。

しかし、論文はこれが脳の唯一の仕組みであるとは述べていない点に注意が必要です。研究者たちは、「物理」の細胞が記憶ゲームに貢献した一方で、「ハードワーク」の細胞は記憶ゲームの成績を予測するようには見えなかったと指摘しています。これは、物理的推論ネットワークが空間タスクに関与してはいるものの、それが全容ではないことを示唆しています。

また、研究者たちは、これらの脳パターンが「物理ゲーム」自体の得意・不得意を予測できるかどうかをテストすることはできませんでした。なぜなら、物理ゲームのテストは少し「ノイズ」が多く、人々のスコアのばらつきが大きすぎたため、脳の活動とスキルの間に明確な線を引くことができなかったからです。したがって、私たちは「物理」の細胞が記憶に役立つことは分かっていますが、それらが物理学の天才であるための「秘伝のソース（決め手）」であるかどうかについては、まだ分かっていません。

要約すると、脳の「物理チーム」は、同時に「空間メモリチーム」でもあります。彼らは同じ労働者グループであり、仕事に応じて異なる帽子を被っているだけなのです。しかし、「ハードワーク・チーム」はより汎用的であり、特定の課題に精通しているわけではなく、単にどんな困難な挑戦にも現れる存在です。この研究は、私たちが物理的な世界を理解する能力と、空間を心の中に保持する能力が深く絡み合っており、同じ神経的な不動産を共有していることを示唆しています。