Wavelet Transform Coherence Under Controlled Temporal Correspondence and Social Co-Presence: Implications for fNIRS Hyperscanning

人間はつながるようにできています。会話、笑い、あるいは調和した動きなど、誰かと瞬間を共有するとき、私たちの身体はしばしば足並みを揃えます。同時に前傾姿勢になったり、呼吸を合わせたり、あるいはリズムに合わせて手を動かしたりすることがあります。科学者たちはこれを「対人同期（interpersonal synchrony）」と呼んでいます。これは、私たちの行動や、さらには内部の生物学的リズムまでもが一致する現象です。近年、研究者たちはこの観察を脳の内部へと進め、新たなレベルへと引き上げました。脳内の血流を測定する携帯型技術を用いることで、二人の人間が相互作用している間に、同時に二人の神経活動を記録することができるようになったのです。「ハイパースキャニング」として知られるこの手法は、人々が結びつくとき、彼らの脳波もまた同期しているように見えることを明らかにしました。しかし、決定的な疑問が残っています。この脳と脳のマッチングは、二人が真に互いに影響を与え合っているために起こるのか、それとも単に二人が同じタスクや環境に反応しているだけなのか、という点です。

これに答えるため、イタリアのトレント大学の研究チームは、この脳のつながりをどのように測定するかをテストするために、入念な実験を設計しました。彼らは、脳信号を比較するために用いられる特定の数学的ツールである「ウェーブレット変換コヒーレンス（wavelet transform coherence）」に焦点を当てました。このツールは、異なる速度において二つの脳信号が時間的に連動しているかどうかをチェックする、高精度な定規のようなものです。研究者たちは、この定規が、一致することを意図した信号と、異なることを意図した信号の違いを確実に検出できるかどうかを知りたいと考えました。さらに重要なことに、他者の存在が脳の働き方を変えるのか、そしてその変化が測定自体に影響を与えるのかどうかを知りたかったのです。単純なタスクのタイミングを、パートナーとの社会的経験から切り離して分析することで、彼らは脳の同期を測定する方法が、それが起こる社会的文脈と深く結びついていることを突き止めました。

この研究には、44人の成人が22組のペアとなって参加しました。各参加者は、脳の運動領域（動きを制御する領域）の血流を測定するセンサーを備えたキャップを着用しました。また、一連のビープ音を聞くためのヘッドフォンも装着しました。タスクは単純でした。トーンが聞こえるたびに、10秒間キーを指で叩き、トーンが止まったら静止するというものです。研究者たちは、繰り返されるブロックの中に、特定のトーンと沈黙のパターンを作成しました。いくつかのブロックは同じタイミング構造を持ち、他のブロックは異なる構造を持っていました。目的は、一致するブロックからの脳信号が、一致しないブロックの信号よりも似ているかどうかを確認することでした。

実験は二つの異なる設定で行われました。まず、各個人が静かな部屋で一人でタッピング・タスクを行いました。その後、ペアとなった参加者が、隣同士に座って同じタスクを行いました。彼らは互いの手が見える状態でしたが、会話をしたり、意図的に動作を調整したりしないよう指示されました。このセットアップにより、研究者は、一人の人間が一人で行った場合とパートナーと一緒に行った場合の脳信号を比較し、また、二人が別々にタスクを行った場合と二人で一緒に行った場合を比較することができました。

結果は、この単純な運動タスクに対して脳がどのように反応するかについて、明確な姿を明らかにしました。人々が指を叩くと、体の反対側にある運動制御領域が活性化しましたが、これは科学者が予想通りです。これは、一人で行っているときも、パートナーと一緒にいるときも同様でした。しかし、二人でいるときには重大な違いが現れました。共同セッション中には、タッピングしている手と同じ側の脳領域も活性化していたのです。これは、単に他者が同じタスクを見守っているという事実が、脳がどのように運動を実行するかを変え、一人で行動するときには静かなままである追加の領域を動員させていることを示唆しています。

最も驚くべき発見は、脳信号のマッチングの分析において得られました。研究者が一人でタスクを行っている時のデータを調べたところ、測定ツールは一致するブロックと一致しないブロックを区別することに失敗しました。タップのタイミングは厳密に制御されており、異なるブロックには異なる構造があったにもかかわらず、脳信号はツールが検出できるような明確な類似性のパターンを示しませんでした。信号はあまりに変動が大きく、違いを判別できなかったのです。

しかし、参加者が共にタスクを行ったとき、物語は一変しました。共同セッションにおいて、測定ツールは一致するブロックを正確に特定しました。同じタイミング構造を持つ期間の脳信号は、異なる構造を持つ期間よりもはるかに強い結びつきを示しました。この効果は脳の運動領域において最も顕著でした。極めて重要なことに、この検出力の向上は、二人の間だけでなく、同一人物内でも起こりました。パートナーがそばにいる状態で単独の個人がタスクを行ったとき、その個人の脳信号自体がより一貫性を持ち、類似するブロックとの照合が容易になったのです。

この発見は、脳の同期が単純で、文脈に依存しない接続の尺度であるという考えに異議を唱えるものです。研究者たちは、脳の同期を測るツールが、単なる二人の間のつながりの窓ではなく、その時々の社会的文脈における個々の脳の機能の反映であることを発見しました。パートナーの存在は、個人の脳信号の性質そのものを変えてしまうようです。パートナーの存在は、脳のタスクへの反応をより一貫したものにし、より組織的なものにするように見えます。その結果、同期を測定するためのツールがより敏感になったのです。それは、二人が突然「魔法のように同期した」のではなく、むしろ、社会的文脈が個々の信号自体を変え、基礎となるタイミングのパターンをより可視化させたのでした。

研究はまた、異なる二人の人物を比較した場合に、ツールがどの程度機能するかについても調査しました。パートナーが別々にテストされたとき、ツールは彼らの脳信号がタスク構造に基づいて一致しているという証拠をほとんど見出せませんでした。しかし、彼らが共にタスクを行ったとき、ツールは、特に運動領域において、一致する信号の明確な増加を検出しました。これは、共有されたタスクが脳活動に一定の類似性を生み出すことはあっても、共にいるという行為がこの効果を大幅に増幅させることを裏付けています。

これらの結果は、二つの脳が同期して動いているのを見たとき、それが単に深い対人的な絆や直接的な神経的リンクの結果であると決めつけることはできないことを示唆しています。社会的な環境そのものが信号を形作っているのです。他者の存在は、個人の脳がタスクを処理する方法を変え、信号をより一貫したものにし、同期として検出しやすくさせます。これは、脳の同期の尺度が、二人の間の空間を覗く窓であるだけでなく、特定の社会的瞬間において各個人の脳がどのように機能しているかを反映していることを意味します。

研究者たちは、脳のつながりを測定するために用いられるツールは、慎重に解釈されなければならないと結論づけています。それらは、状況に関わらず同じ読み取り値を与える中立的な定規ではありません。むしろ、脳が働いている機能的かつ社会的な文脈に対して敏感なのです。この研究は、社会的共存（social co-presence）が個々の神経信号の時次的ダイナミクスを変化させ、実質的に同期指標の基礎となる「生の素材」を変えてしまうことを示しています。この洞察は、人間の相互作用を理解する上で極めて重要であり、私たちの脳は真空中で機能しているのではないということを思い出させてくれます。私たちが他者とつながるとき、私たちの脳は単にリンクするだけではありません。私たちの脳は「変わる」のです。共にいるという行為そのものが神経の風景を再形成し、共有された人間体験の複雑さを反映した、より一貫性のある、同期した信号を生み出しているのです。