Mentally transformed representations in memory are linked to their originals

私たちの精神は、静的なストレージ・ロッカーではありません。それは情報を保持し、そして決定的なことに、その情報を操作する活動的なワークスペースなのです。バックミラーを絶えず確認しながら車を運転しようとしている場面を想像してみてください。背後の車が数秒後にどこにいるかを知るためには、鏡に見える画像を取り込み、それを時間と空間の中で前方にメンタルシフトさせなければなりません。心の中に保持された情報を取り出し、それをひねったり、回転させたり、更新したりするこの能力は、変化する世界を航行するための基本的な要素です。科学者たちは、この能動的なワークスペースを「ワーキングメモリ（作業記憶）」と呼んでいます。数十年にわたり、中心的な問いとなってきたのは、情報が変更された後、このシステムが元の情報をどのように扱うのかという点でした。もし頭の中で物体を回転させた場合、脳は新しいものを作るために元の画像を破棄してしまうのでしょうか、それとも、おそらくバックアップとして背景に安全な状態で残しておくのでしょうか。

研究チームは、人々がメンタルローテーション（心的回転）課題を行っている間の脳の状態を観察することで、これに答えようと試みました。彼らはボランティアに対し、縞模様のパターンの角度を覚えさせ、次にそのパターンを特定の量だけ頭の中で回転させ、最後に別の異なるパターンを覚えるように指示しました。その後、信号によって、（回転させたバージョンか、あるいは新しいパターンのどちらか）どちらのアイテムがテストされるかが参加者に伝えられました。スカルプ（頭皮）からの電気信号を読み取る技術を用いることで、研究者たちは、どの特定のパターンがどの瞬間に脳のワーキングメモリ内に保持されているかを把握することができました。すると驚くべきことが分かりました。たとえ元のパターンがもはやタスクには不要であっても、脳はそれを捨てていなかったのです。むしろ、元のパターンは脳の信号の中に留まり続けていましたが、それは回転したバージョンがまだ保持されている場合に限られていました。両者は連動していました。もし脳が回転したイメージを手放せば、元のイメージも手放すのです。もし回転したイメージを保持していれば、元のイメージも一緒に保持していたのです。

研究は単純な前提から始まりました。私たちが形を頭の中で回転させるようなメンタル変換を行うとき、私たちは古いものに基づいた新しいメンタルイメージを作り出します。先行研究では、現在のタスクにとって無関係になった後でも、古いイメージがしばしば脳の中に残留することを示唆していました。これは不可解なことでした。なぜなら、ワーキングメモリは効率的であることで知られているからです。通常、容量を確保するために、有用ではなくなった情報はすぐに破棄されます。研究者たちは、なぜ脳がこの「役に立たない」元のイメージを保持しているのかを知りたいと考えました。彼らは3つの可能性を検討しました。第一に、脳が単に元の画像の処理を終えておらず、それが知覚の残り香のようなものである可能性。第二に、画像を回転させる行為があまりにも深い注意力を必要とするため、元の画像が記憶にロックされ取り除くことができなくなっている可能性。第三に、おそらく元の画像と回転した画像は一つのパッケージとして結びついており、一方を保持することは他方を保持することを意味するという可能性です。

これらのアイデアを検証するため、研究者たちは40人のボランティアを用いた精密な実験を設計しました。各参加者は静かな部屋に座り、スクリーンを見つめました。まず、特定の角度で縞模様がある円形のパッチが表示されました。彼らはこの角度を覚えておく必要があります。次に、「そのパターンを30度または90度など、一定量、頭の中で回転させてください」という指示が現れました。このメンタルローテーションの結果が「回転生成物（Rotation Product）」となります。参加者には、今や重要なのはこの新しい回転した角度のみであり、元の角度はもう必要ないことが告げられます。直後に二つ目の縞模様のパターンが現れ、彼らはこれもまた記憶しなければなりませんでした。最後に、画面上に数字が表示されました。数字が1であれば回転したパターンがテスト対象となり、2であれば二番目の未回転のパターンがテスト対象となることを意味します。参加者は、示されたアイテムに対して、提示されたパターンが時計回りか反時計回りかを判断する必要がありました。

これらのステップの間に行われる待ち時間の間、研究者たちは画面上に短い中立的な視覚インパルス（刺激）をフラッシュさせました。このインパルスは探針（プローブ）としての役割を果たし、これにより研究者が現在進行形で脳のワーキングメモリ内で活性化しているものをスナップショットのように捉えることが可能になりました。このフラッシュに続く電気活動を分析することで、脳が元のパターン、回転したパターン、あるいは二番目のパターンのうち、何を保持しているのかをデコードできたのです。

結果は明白でした。参加者が回転したパターンを心の中で保持しているとき、脳の信号は、元のパターンが依然としてそこにあることを示していました。たとえ元のパターンがタスクにはもはや不要であったとしてもです。これは、二つ目の全く異なるパターンを記憶した後でも起こりました。この発見により、元の画像が単なる知覚の残り香であるという考えや、深くエンコードされたために固定されていたという説は否定されました。もしそれが単なる残り香であれば、二つ目のパターンが追加された時点で消えているはずだからです。もしそれが深い符号化のために固着していたのであれば、回転したパターンが破棄された際にも可視性のまま残っていたはずです。

謎の鍵は、研究者が参加者に二人目のパターンに集中するように指示したときに何が起きたかを見たときに明らかになりました。この瞬間、回転したパターンの脳信号は消失しました。極めて重要なことに、元のパターンの信号も同時に消失したのです。両者は独立していませんでした。連動していたのです。脳は元のイメージを別個のバックアップとして保持していたわけではありません。代わりに、回転したイメージを保持しているからこそ、元のイメージをも保持していたのです。回転したイメージが必要なくなったとき、元のイメージも共にドロップされました。

研究者たちはまた、参加者のパフォーマンスについても調査しました。脳が回転したパターンに対して強い信号を示した試行では、参加者の正確性が高かったことが分かりました。しかし、脳が元のパターンに対して強い信号を示した試行では、実際には精度が低下していました。このことは、元のイメージの存在がタスクを助けているのではなく、むしろわずかな妨げになっていることを示唆しています。脳は、今の目標にとって有用だから元のイメージを保持しているのではなく、メンタル変換の構造上の理由から保持していたのです。回転したイメージは元のイメージの上に構築されており、脳はそれらを連結したペアとして維持していたのです。

この発見は、私たちの心の内部世界に対する考え方を変えます。新しいメンタルイメージを既存のものから変容させて作成するとき、私たちは単に古いものを新しいもので置き換えているのではないということです。むしろ、新しいイメージはソースとなったものに繋ぎ止められたままになります。脳はこうした表現形式をリンクさせた状態にしておくことを好むようです。おそらく柔軟性を確保するためでしょう。現実世界の状況において、例えば車が見えなくなったとき、私たちはその車の最後の既知の位置に基づいて将来の経路を予測することができます。もし状況が突然変化した場合、元の情報が依然として利用可能な状態であれば、最初からやり直すことなく迅速に予測を再計算できるかもしれません。今回の研究では、単純かつ孤立したタスクにおいては元のイメージを保持することに利点はなかったものの、このような連結された構造が、ダイナミックに変化する環境に対処するための脳の仕組みの一端であることを示唆しています。精神とは単に事実を蓄積する場所ではありません。それは、新しい概念が、それらが育った元となる古い概念によって支えられるところの、接続の網を築き上げる場なのです。