Early visual cortex is not functionally necessary for temporal attention: A TMS study

人間の脳は驚異的な効率性を備えた存在であるが、同時に「希少性」の産物でもある。脳は、エネルギーを使い果たしてしまうことなく、周囲にあるあらゆる視覚、聴覚、感覚を一度に処理することはできない。生き残るために、脳は「注意」と呼ばれる戦略を採用している。これは、特定の情報の明瞭さを高める一方で、それ以外のすべてを減光させる、スポットライトのような役割を果たすメカニズムである。科学者たちは、私たちが視界の特定の場所にどのように集中するかについては古くから理解してきたが、時間の特定の瞬間にどのように集中するかという問いについては、依然として解明されないまま残されていた。私たちは、ある出来事に対して正確な秒数で準備を整えるよう自発的に選択できることは知られているが、この能力の背後にある生物学的な仕組みは謎であった。従来の脳スキャナーを用いた研究では、私たちが特定の時間に集中するとき、後頭部にある目からの画像が最初に届く領域である初期視覚野の活動が高まることが示されていた。しかし、これらのスキャナーは相関関係を示すに過ぎない。つまり、二つのことが同時に起きていることを明らかにしているだけで、一方が他方を引き起こしているという因果関係を証明することはできなかった。初期視覚領域は、他の脳部位がタイミング調整の実務を行っている間、単に光っているだけの傍観者に過ぎない可能性があったのである。

この謎を解くために、ニューヨーク大学の研究者たちは、初期視覚野がこのような時間ベースの注意に実際に必要であるかどうかをテストする実験を設計した。彼らは経頭蓋磁気刺激法という技術を用いた。これは、頭皮に磁気コイルを当てて、短時間の無害なパルスを送り、その下にある脳細胞の電気活動を一時的に乱す手法である。チームは、視覚的なターゲットが現れた瞬間にこのパルスを適用することで、初期視覚野を乱すことが、特定の瞬間に集中する脳の能力を壊すかどうかを確認しようとした。もし初期視覚野が時間的注意のエンジンであるならば、これを乱すことで人々の反応は遅くなり、精度も低下するはずである。しかし、もし脳が時間を管理するために別のより高次のシステムに依存しているならば、初期視覚野を乱してもパフォーマンスには影響を与えないはずである。

研究者たちはボランティアに対し、画面の右下隅に次々と現れる2つの図形（ガボール・パッチと呼ばれる）を注視するというタスクを行わせた。図形が現れる前に、音によるヒントが、どの図形を識別すべきかについての示唆を与えた。時には、そのヒントは正確であり、どの図形に注目すべきかを正確に伝えた。またある時には、音は中立的で役に立たないものであった。ボランティアは、示された図形がわずかに左に傾いているか右に傾いているかを判断しなければならなかった。実験は4つの異なる条件下で行われた。ある試行では、磁気パルスが最初の図形が現れた瞬間に送られ、別の試行では、2番目の図形が現れた瞬間に当たり、また別の試行では、両方のタイミングで当たり、そしてコントロール群では、パルスは一切送られなかった。決定的なのは、ボランティアはパルスの発生を予測できなかったことであり、これにより、刺激に関わらず脳の状態が一貫したまま保たれた。磁気パルスが実際に脳に影響を与えていることを検証するため、研究者たちはボランティアの瞳孔の大きさを監視した。瞳孔は視覚野が刺激されると自然に散大するためである。

結果は明白であり、かつ驚くべきものであった。ボランティアがどの図形に注目すべきかという役立つヒントを受け取ったとき、彼らは識別精度が高まり、反応速度も向上した。この「時間的注意の恩恵」と呼ばれる改善は、すべての条件下で一貫して見られた。最も重要なことに、初期視覚野に送られた磁気パルスは、この恩恵を減じることはなかった。パルスが最初の図形に当たろうと、2番目の図形に当たろうと、あるいは両方、またはどちらにも当たらない場合であっても、正しい瞬間に集中するボランティアの能力は損なわれなかった。データは、特定の瞬間に優先順位をつける脳の能力が、初期視覚野に依存していないことを示した。研究者たちは、パルスが意図通りに脳に作用していることを、パルス送出時にボランティアの瞳孔が著しく散大したことで確認しており、これは脳組織が影響を受けたことの証明であった。しかし、この生理学的な阻害は、行動的な失敗には繋がらなかったのである。

これらの知見は、特定の瞬間に自発的に集中する脳の能力が、一次視覚処理センターとは独立して機能していることを示唆している。注意のタイミングを管理するために初期視覚野に頼るのではなく、脳はおそらく、タスクに関連する情報を選択し保護するために、前頭葉や帯状回などの領域にある高次ネットワークを使用している。この研究は、初期視覚野が「見る」ためには不可欠であるが、「注意の内部時計」を駆動するエンジンではないという、最初の因果的な証拠を提供するものである。脳は、初期の視覚処理領域が一時的に沈黙させられたとしても、時間の焦点（テンポラル・フォーカス）を維持することができる。これは、私たちがいつ注意を向けるかを管理するための、より複雑で分散されたシステムが存在することを示している。