Neural Dissociation of Cognitive Maps and Graphs in the Human Brain
fMRIを用い、空間的距離と経験的距離を直交的に操作することで、本研究は、ヒトの脳が認知地図とグラフを分離しており、ユークリッド的な空間的近接性を頭頂間溝に、最短経路による経験的な連続性を海馬・海馬傍回およびシーン選択的な皮質領域に表現していることを示している。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
人間の精神には、混沌とした世界を構造化されたメンタル・ランドスケープへと変容させる、驚くべき情報の整理能力があります。私たちがこれを行う最も基本的な方法の二つは、マップ（地図）とグラフによるものです。「認知マップ」は、場所の心のスナップショットのようなものであり、アイテムを空間内の物理的な位置に基づいて配置し、二つの対象物間の距離は直線で測定されます。対照的に、「認知グラフ」は、あるものから別のものへと移動する経験に基づいてアイテムを連結する心のネットワークであり、そこでの距離は辿った経路によって定義されます。数十年にわたり、科学者たちは脳がこれら二つの異なる形態の知識をどのように処理しているのかについて議論してきました。私たちの日常の経験はしばしばこの両者を混在させているため（空間的に近い場所は、通常、歩行経路においても近い）、研究者たちは、脳が両方のための単一のシステムを使用しているのか、それともそれぞれに別々のシステムを使用しているのかを解明することに苦心してきました。この区別を理解することは、人間の記憶の基本構造、そして私たちが単なる物理的な空間だけでなく、複雑な概念や社会的関係をどのようにナビゲートしているのかを明らかにする上で極めて重要です。
マックス・プランク人間認知脳科学研究所とトレント大学の研究チームは、これら二種類の距離を分離する巧妙な実験を設計することで、この問いに対して明確な答えを提示しました。彼らは、特定の経路ネットワークによって接続された8つのユニークなモニュメントを含む仮想世界を作成しました。この環境において、彼らは、二つの場所が直線距離では物理的に近くても、接続する経路が存在しないために移動に必要な距離としては遠くなるような状況を作り出しました。逆に、直線距離では離れていても、短く直接的な経路を通じて容易に到達できる場所も作りました。この設定により、脳が直線距離と移動距離を別々の情報として扱っているかどうかをテストすることが可能になりました。
61人のボランティアが、この仮想環境を学ぶために丸一日を費やしました。彼らは一人称視点でこの環境をナビゲートし、経路に沿って歩き、モニュメントを眺め、同時に周囲の開けた空間を見ることもできました。参加者が空間のレイアウトと経路の接続の両方を真に習得したことを確認するため、彼らは距離を推定したり最短ルートを選択したりするテストを受けました。参加者が環境を理解したことが示された後、彼らはMRIスキャナーに入りました。装置の中で、彼らはモニュメントの画像を見せられ、それぞれの位置と接続関係を想起するよう求められました。これを行っている間、研究者たちは「表現類似性解析（representational similarity analysis）」と呼ばれる手法を用いて、脳活動のパターンを調べました。この手法は、二つの異なるモニュメントに対する脳の反応が、それらのモニュメントがマップ上で近いときなのか、あるいは経路ネットワークにおいて近いときなのかによって、どのように変化するかを検証するものです。
結果は、脳における驚くべき分業体制を明らかにしました。研究者たちは、直線距離によるマップ的な距離は、頭頂間溝（intraparietal sulcus）として知られる脳の後方にある特定の領域で表現されていることを見出しました。この領域は、空間情報やレイアウトの可視化を処理することで知られています。対照的に、移動に基づくグラフ的な距離は、海馬や、シーンの閲覧や経路のナビゲーション時に通常活性化する周辺領域を含む、別の領域で表現されていました。脳の深部にあり、しばしば記憶に関連付けられる構造である海馬は、場所間の最短経路を追跡する活動パターンを示しましたが、直線距離を追跡しているようには見えませんでした。このことは、海馬が静的な空間の中に物があるかどうかではなく、どのように移動するかという経験に基づいて情報を整理することに特化していることを示唆しています。
研究はまた、風景の認識に関与するパラヒッポカンパル・プレイス・エリア（parahippocampal place area）などの他の脳部位についても調査しました。これらの領域は、通常、部屋や風景のレイアウトを認識するのに役立ちますが、場所間の経路ベースの接続に関連した活動パターンを示しました。この発見は、脳のシーン処理システムが、記憶システムと密接に連携して、私たちの経験のグラフを構築していることを示唆しています。一方で、マップ的な表現を担う領域は依然として独立しており、経路の接続を追跡する兆候は見られませんでした。研究者たちは、これらの結果が単にモニュメントの形状やその他の視覚的特徴によるものではないことを排除するために慎重に検証を行い、脳が確かに抽象的な概念としての空間距離と移動距離を別々に処理していることを確認しました。
これらの知見は、海馬の機能に関する神経科学における長年の論争に新しい視点を提供します。従来の理論では、海馬は空間の普遍的なマップとして機能すると示唆されてきましたが、本研究は、海馬はむしろ「私たちの経験のシーケンス（順序）を整理するためのシステム」と記述するのがより正確であることを示唆しています。脳は、世界のレイアウトを保持する「地図」としての頭頂皮質と、旅路や出来事のつながりを記録する「グラフ」としての海馬およびシーン処理領域という、二つの並行した知覚方法を維持しているようです。この分離により、私たちは環境を「固定された場所」として、また「自分が生きてきた物語の連続」として、その両面から理解することができるのです。これは、人間の思考と記憶のための、より豊かで柔軟な基盤を提供しています。
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