A Unified World Model in Human Posterior Parietal Cortex

人間の脳は予測の達人である。落下するグラスを掴む前に、脳はすでにその軌道、速度、そして砕け散る正確な瞬間を計算している。コップに手を伸ばす前に、人はその物体の重さと、持ち上げるために必要な握り方をシミュレートしている。科学者たちは、脳は単に見えている世界に反応しているのではなく、物理的現実に関する内部的で動的なモデルを維持しているのではないかと、かねてより疑ってきた。この「世界モデル」とは、物体がどのように相互作用するかを理解し、次に何が起こるかを予見し、展開していく場面の中で自分自身の動きを計画することを可能にする、精神的なシミュレーションである。人工知能の研究者たちが、このようなモデルを機械に組み込もうと数十年にわたり試行錯誤してきた一方で、人間の脳における生物学的な等価物を見つけ出すことは、深い謎のままであった。問いは、私たちが未来を予測できるかどうかだけでなく、この連続的で静かな計算が、広大な精神のネットワークのどこで行われているのかということである。

研究チームは、この世界モデルのハードウェアとして機能していると思われる、人間の脳内の特定の領域を特定した。2人の個人の脳から電気活動を直接記録することで、彼らは、上頭頂小葉として知られる脳の後上部にある小さなニューロンの集まりが、3つの異なる、しかし連結した役割を同時に果たしていることを発見した。これらのニューロンは、単に起きていることに反応するのではない。彼らは場面の物理的な理解を構築し、その場面がどのように変化するかを予測し、そしてその人が次に行おうとしている計画を保持するのである。この知見は、脳が物理学について考えること、未来を推測すること、そして行動を計画することに対して、別々の孤立した回路を使用しているのではないことを示唆している。むしろ、同じ細胞がこれら3つすべての役割を担う、統一されたシステムを使用しているのである。

この研究には、脊髄損傷後の運動機能の回復を目的とした臨床試験の一環として、微小な電極アレイを埋め込まれた2人の参加者が含まれていた。砂粒ほどの大きさであるこれらの電極は、以前の脳スキャンにおいて物理的推論と運動計画の両方に関連付けられていた領域である、上頭頂小葉に配置された。研究者たちは、電極が個々のニューロンの発火パターンを記録している間に、一連のタスクを実行するよう参加者に求めた。一つのタスクでは、参加者は不安定に見えるブロックで作られた塔のビデオを視聴した。彼らは、塔が左に倒れるか右に倒れるか、あるいは単に青いブロックと黄色いブロックの数を数えるかを判断しなければならなかった。別のタスクでは、ハンマーが釘を打ち込むような物理的な出来事、あるいは人々が笑っているような社会的な相互作用といった、自然なビデオを視聴した。

結果は、これらの脳領域のニューロンが、参加者が物理的な世界に関与しているときに特異的に反応したことを示した。参加者がブロックの塔や物理的な出来事のビデオを見ているとき、ニューロンは、社会的ビデオや単純な色のカウントタスクを見ているときよりもはるかに活発に発火した。この物理的推論への選好性は、一過性の反応ではなかった。ブロックの塔に反応したのと同じニューロンのグループが、倒れるドミノや回転するコマのビデオにも反応したのである。研究者たちは、これらのニューロンが単に視覚的な入力に反応しているのではなく、場面のモデルを能動的に構築していることを突き止めた。彼らは、安定した塔と不安定な塔の違いを判別でき、また、ハンマーが釘を打つことと、人が握手することに対して異なる反応を示した。

決定的なことに、この研究は、これらのニューロンが未来を予測していることも明らかにした。別の実験において、参加者は物体がターゲットに向かって移動するビデオを視聴した。あるときは物体がターゲットに当たり、あるときは外れた。研究者たちは、衝突が実際に起こる数百ミリ秒も前に、ニューロンが異なる発火を開始することを発見した。もし物体が当たる予定であれば、ニューロンは、外れる予定の場合とは明確に異なる特定のパターンで発火した。これは物体が何かに触れる前に行われていたため、脳が結果のシミュレーションを実行していることを示唆していた。驚くべきことに、この予測能力は異なるシナリオ間でも一般化された。物体が地面を転がっていようと空を飛んでいようと、ニューロンは衝突を予測することができ、これは特定のビデオクリップを記憶しているのではなく、物理法則への深い理解を示している。

最後のパズルの一片は、行動への接続であった。参加者は、手で行う2つのアクションのうちのいずれか、すなわち、拳で物体に触れるか、指でノブを引くかを想像するよう求められた。物理的な世界のモデリングと衝突の予測に忙しくしていたのと同じニューロンが、その人が意図する動作も符号化していた。研究者たちは、かなりの数の個々のニューロンが、物理的推論を好み、移動する物体の未来を予測し、そしてその人の意図する手の動きを信号として送るという、3つの仕事を同時に行っていることを発見した。この収束は、脳がこれらの機能を別々の区画に保持していないことを示唆している。代わりに、同じ神経集団が、物理的な世界の理解、その未来の状態の予測、そして私たち自身の行動の計画を、単一の結束したプロセスへと統合しているのである。

研究者たちは、他の説明を排除するために細心の注意を払った。ニューロンは単にタスクが難しかったり、参加者が注意を向けていたりしたために反応したのではない。制御タスクは同等の難易度と没入感を持つように設計されていたが、ニューロンは沈黙したままであった。また、ビデオ内の人間の存在や意図的な動きに反応していたわけでもない。なぜなら、ニューロンは人間が全く関与しない物理的な出来事にも強く反応したからである。この知見は複数の記録セッションを通じて一貫しており、集団の平均値だけでなく、個々のニューロンの活動を見ても成立した。本研究は2人の参加者と小さな脳領域に限定されているものの、得られた証拠は、人間の上頭頂小葉において、物理的世界のリアルタイム・シミュレーターとして機能し、私たちが環境の中で驚異的な速度と精度でナビゲートし、予測し、行動することを可能にしている統一されたシステムが存在することを示している。