Attention modulates cortical and subcortical responses to auditory deviance: An EEG-pupillometry study in healthy adults

あなたの脳を、2種類の異なるタイプの警備員がいる賑やかな都市だと想像してみてください。一人の警備員、「皮質警備員」は、都市の最上階にある豪華なオフィスビルに住んでいます。この警備員は非常に賢いのですが、非常に好みにうるさいのが特徴です。あなたが積極的に何かを探していたり、あるいはあなたが研究している特定のパターンに合致したりする場合にのみ、注意を払います。もう一人の警備員、「皮質下警備員」は、地下室に住んでいます。彼らは複雑なパターンについてはあまり関心がなく、より生々しく、即時的な警戒心に基づいています。彼らは都市の警報システム、つまりあなたの瞳孔（目の黒い中心部分）と連動しています。何かが驚くべき出来事として発生すると、たとえあなたがそれを直接見ていなくても、警報が鳴り響き、瞳孔が散大（広がる）して、より多くの光と情報を取り込もうとします。科学者たちは長い間、もしあなたが映画を見ているときのように他のことに夢中になっている場合、地下室の警備員は廊下での奇妙な音に気づくのか、それともオフィス側の警備員の注意力の欠如によってシステム全体がシャットダウンしてしまうのか、という疑問を抱いてきました。

この問いは、私たちの生存に関わる極めて重要なものです。私たちはタスクに集中する必要がありますが、同時に背景で起きている突然の脅威に対しても安全を確保しておく必要があります。脳は、特別な化学物質システム（「青斑核」と呼ばれる小さな構造が関与しています）を使用して、このバランスを管理しています。私たちは脳の地下室を覗き込んで警備員を見ることは簡単にはできませんが、脳波（オフィスからの電気信号）と瞳孔のサイズ（地下の警報システム）を測定することで、彼らの働きを測ることができます。この研究では、脳が何かに気を取られているとき、奇妙な音に対して両方の警備員が反応するのか、それとも片方だけが反応するのかを検証しています。

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実験：二つのタスクの物語

答えを見つけるために、研究者たちは26人の健康な成人をラボに招き、薄暗く心地よい部屋に配置しました。参加者はヘッドフォンを装着し、脳波を記録する特殊なキャップを被り、カメラが目の動きを追跡しました。参加者はヘッドフォンから流れる一連のビープ音を聞くことになりました。これらのビープ音は5つのグループで構成されています。時々、5回のビープ音はすべて同じ音でした（例：ピー・ピー・ピー・ピー・ピー）。また別の時には、最後のビープ音だけが異なっていました（例：ピー・ピー・ピー・ピー・ブーッ）。

研究者たちは、参加者の注意力をテストするために、2つの異なるシナリオを用意しました。

1. カウント・タスク（能動的な集中）： 第一ラウンドでは、参加者は「ブーッ」という音が何回起きたかを静かに数えるよう指示されました。彼らは音に対して細心の注意を払う必要がありました。
2. 視覚干渉タスク（注意の逸らされた状態）： 第二ラウンドでは、音は背景で流れていましたが、参加者はそれを無視しなければなりませんでした。代わりに、彼らは画面を注視し、特定の図形（円）が他の図形の中に現れたときにボタンを押す必要がありました。彼らの注意は耳ではなく、目に向けられていました。

研究者たちは、2種類の「驚き」を探していました。

• 局所的な驚き（Local Surprise）： 単にピッチ（音の高さ）が変わること（シーケンスの中の「ブーッ」）。
• 全体的な驚き（Global Surprise）： 音のグループ全体のパターンが予想されていたものと異なることに気づくこと（例：シーケンス全体が「ルール違反」であると気づくこと）。

脳波と瞳孔が明らかにしたこと

結果は、脳が忙しいときに二人の「警備員」がどのように振る舞うかについて、非常に興味深い姿を描き出しました。

脳が集中していたとき（カウント・タスク）：
オフィス側の警備員も、地下室の警備員も、どちらも完全に目が覚めていました。

• 脳波（オフィス側の警備員）： 驚きの音が聞こえると、参加者の脳波は大きな明確なスパイクを示しました。これは単純なピッチの変化（局所的）と、パターンの崩れ（全体的）の両方で起こりました。信号は強力で、特に後頭部で明確に確認できました。
• 瞳孔（地下室の警備員）： 瞳孔も強く反応しました。驚きの音が聞こえると、瞳孔は大きくなりました（散大）。この散大は、単純なピッチの変化と複雑なパターンの崩れのどちらに対しても有意でした。

脳が注意を逸らされていたとき（視覚干渉タスク）：
ここからが面白い展開です。二人の警備員は、全く異なる動きを見せ始めました。

• 脳波（オフィス側の警備員）： オフィス側の警備員は、事実上のストライキを起こしました。参加者が画面を見ている間、通常であれば「パターンの崩れ」（全体的な驚き）を示すはずの脳波が完全に消失したのです。彼らは複雑なルールの違反に気づくには、あまりに忙しすぎました。単純なピッチの変化（局所的）についても、脳波はほとんど目立たず、ごくわずかで一瞬の反応を示すのみでした。高度で複雑な処理プロセスは、注意が逸らされると消滅してしまうようです。
• 瞳孔（地下室の警備員）： しかし、地下室の警備員は無視されることを拒みました。参加者が注意を逸らしていても、驚きの音が聞こえると瞳孔は依然として大きくなりました。
  • 単純なピッチの変化（局所的）に対しては、以前より反応は少し小さくなったものの、瞳孔は依然として散大しました。
  • 複雑なパターンの崩れ（全体的）に対しても、瞳孔は依然として有意に散大しました。データによれば、脳波が「何も起きていない」と言っているときでも、瞳孔は「おい、何か変なことが起きたぞ！」と告げていたのです。

大きな教訓

この研究は、私たちの脳が驚きに対して「二重人格」を持っていることを示唆しています。大きな電気信号を生成する部分（ERP/P300）は、私たちの注意に強く依存しています。もしあなたが他のことに夢中であれば、その部分は複雑なパターンを処理することを止めてしまいます。

しかし、瞳孔を制御するシステム（脳の覚醒および警戒システムに関連するもの）は、より強固です。それは、注意が逸らされているときでも、環境に対して低レベルの監視を続けているようです。瞳孔は、たとえ意識的な、電気的な部分が詳細な認識を行っていなくても、何かが「おかしい」ということを察知することができます。これは、セキュリティ・カメラが録画を続けているようなものです。たとえタワーの中の警備員が眠りに落ちていても、アラームは鳴り続け、警備員がなぜそれが起きたのか分からなくても、事態を知らせるのです。

要約すると、私たちの意識的な注意は限られたリソースであり、容易に転用されてしまいますが、身体の自動的な警戒システムは、精神が他の場所にいても、世界を注意深く見守り、瞳孔を広げて行動への準備を整えてくれるのです。