Strategy-dependent causal relationships between large-scale cortical activity and perceptual decisions

動物は毎日、単純ながらも極めて重要な問いに直面します。「どちらの道へ進むべきか？」という問いです。これに答えるために、動物は周囲の世界から手がかりを集め、それらを自身が学んだことと照らし合わせ、選択を下さなければなりません。数十年にわたり、こうした意思決定を研究してきた科学者たちは、脳は単一の安定した機械のように機能し、選択が行われるたびに常に同じ方法で情報を処理していると想定してきました。しかし実際には、精神はもっと流動的なものです。人が時にはパズルに深く集中し、またある時には直感や習慣に頼るように、動物も同じ問題を解決するために異なる内部戦略を切り替えています。時には証拠を注意深く追い、またある時には、手がかりに関係なく一方の側を好むというパターンに陥ります。大きな疑問は、脳がこれらの異なる思考モードを支えるために配線を変更しているのかどうか、そして、もしそうであるなら、どの脳部位が動物を正しい軌道に留めておく役割を担っているのか、ということでした。

研究チームは、マウスの脳におけるこの隠された意思決定の風景をマッピングすることに着手しました。彼らは、マウスが仮想のT字型迷路をナビゲートするという特定のタスクに注目しました。マウスが前方に走るにつれ、道の左側または右側に一連の視覚的なタワーが現れます。目標は単純です。どちらの側に多くのタワーがあったかを記憶し、その方向へと曲がって報酬を得ることです。研究者たちは、数十匹のマウスからデータを収集し、数千回に及ぶ試行にわたって彼らのパフォーマンスを観察しました。脳の仕組みを理解するために、彼らは単にマウスを観察しただけではありません。彼らはオプトジェネティクス（光遺伝学）と呼ばれる手法も用いました。この手法により、科学者は光のフラッシュを用いて特定の脳細胞群を一時的に沈黙させることができ、脳のその部分が機能しなくなったときに何が起こるかを、いわば脳内のスイッチを切ることで確認できるのです。この光による中断と脳活動の記録を組み合わせることで、チームは異なる脳領域が意思決定プロセスにどのように寄与しているかをテストすることができました。

最初のステップは、マウスが特定の瞬間にどのような思考を行っているかを突き止めることでした。研究者たちは、光による中断を受けていないときのマウスの選択を分析しました。その結果、マウスは単一の固定された戦略を用いているわけではないことが判明しました。代わりに、マウスは3つの明確な精神状態の間を漂っていました。第1の状態では、マウスは完全に没入しており、タワーに細心の注意を払い、証拠に基づいて選択を行っていました。他の2つの状態では、マウスは脱力状態にありました。これらの瞬間、マウスはタワーをほとんど無視し、代わりに、目に見えるものに関係なく、左または右に曲がるという強い習慣を発達させていました。これらの状態は一時的なものではありませんでした。一度マウスがある状態に入ると、そこから抜け出さず、時には30回以上の試行にわたってその状態を維持する傾向がありました。この発見は、脳が単にデータを処理するだけでなく、時間の経過とともに持続する異なる動作モードを採用していることを裏付けました。

これら3つの状態が特定された後、研究者たちは、脳の異なる部分を沈黙させたときに何が起こるかを調査しました。彼らは、皮質として知られる脳の上面にある数十の場所を標的にし、マウスの選択がどのように変化するかを観察しました。結果は驚くべきものであり、マウスがどの精神状態にあるかに完全に依存していました。マウスが没入した証拠駆動型の状態にあるとき、脳の前方を沈黙させると、マウスは集中力を失いました。マウスはタワーの声を聞かなくなり、推測で動くようになり、しばしば一方の側への強い偏りを示すようになりました。しかし、マウスがすでに脱力した偏った状態にあったとき、同じ前部を沈黙させると、逆の効果が生じました。それは、マウスが元々持っていた一方を好む傾向を減少させ、偏りを緩和させたのです。この逆説的な結果は、脳の前部が、動物が正しいことをしようとしているときに集中を維持するために不可欠なコントロールセンターとして機能している一方で、その除去が、たとえ動物の証拠利用能力を完全に回復させることはなくても、注意の強さを軽減する場合があることを示しています。

研究者たちはまた、これらの中断のタイミングについても調査しました。彼らは、脳の前部を沈黙させることが、マウスが曲がる直前の試行の後半で行われたときに最も強い影響を与えることを見出しました。これは、前方の脳領域が、特に動物が正確であろうとしている際に、決定を心に留め、最終的な選択を実行するために極めて重要であることを示唆しています。対照的に、研究者が後部の脳を沈静化させたときの効果は異なっていました。これらの領域は、動物が偏った脱力状態にあるときに、より大きな役割を果たしているようであり、おそらく習慣を維持したり、過去の報酬の履歴を処理したりすることに寄与していると考えられます。

全体像を把握するために、チームはワイドフィールドカメラを使用して、脳の全表面にわたる電気活動も記録しました。彼らは、マウスが没入状態にあるときは、偏った状態にあるときよりも前部がはるかに活発であることを発見しました。さらに、脳活動に基づいてマウスの選択を予測しようとしたところ、没入状態においては前部領域が最も優れた予測因子となり、偏った状態においては後部領域がより情報量が多いことが分かりました。これは、脳が使用されている戦略に応じて再構成されていることを裏付けています。脳の前部は、集中力を維持し、現在の証拠に基づいて選択を行うための鍵であり、一方で他の領域は、動物が習慣に頼るときに主導権を握ります。

これらの知見は、脳が固定された部品が固定された仕事をする静的な機械ではないことを示唆しています。むしろ、脳は動物が問題にどのようにアプローチするかによって、その接続と活動パターンを再構成するダイナミックなシステムなのです。脳の前部は、没入した証拠に基づく戦略を維持するための重要なハブとして浮上しており、単純な偏りに陥る傾向に対する「番人」として機能しています。この番人が不在になると、動物は道を見失いますが、興味深いことに、その不在が、必ずしも最適なパフォーマンスへの復帰をもたらすわけではないものの、注意の強さを軽減することもあります。この研究は、大規模な脳のダイナミクスがいかにして異なる思考様式を支えるためにシフトするかという、より明確な視点を提供しており、意思決定への道が、目の前にある証拠と同じくらい、脳の現在の戦略によって決まるものであることを明らかにしています。