Frontal population organization supports the behavioral expression of confidence
本研究は、ラットにおいて、眼窩前頭皮質における強固な確信表現の行動的発現が、個々のニューロン活動の強さではなく、それらの内部状態がアクセス可能であり行動へと変換されるか否かを決定する、ニューロン集団の特定の時間的および幾何学的構成に依存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
脳内では、思考はしばしば静かな内部信号として存在し、必ずしも行動へと結びつくわけではない。ある人が選択に対して絶対的な確信を抱きながらも、行動に移す前に躊躇したり、あるいは確信がないにもかかわらず突き進んでしまったりすることがある。数十年にわたり、科学者たちは特定の脳細胞が確信の感覚を符号化しており、動物が決定に対してどれほど確信を持っているかに応じて、その細胞の発火頻度が変化することを知っていた。しかし、根本的な謎が残っていた。脳細胞が確信の信号を運んでいるからといって、それが動物に必ず行動を促すとは限らないという点である。問題は単に、脳が答えを知っているかどうかではなく、その知識がいかにして物理的な行動へと変わるのかということである。本研究は、思考を持つこととそれを表現することの間の溝を探求し、なぜ強い内部感覚が時にラットの行動を導くことに失敗するのかを調査している。
このパズルを解くために、理化学研究所と同志社大学の研究チームは、決定の瞬間と報酬の瞬間を分離したタスクをラットのために設計した。動物たちは2種類の香りの混合物を嗅ぎ、左右どちらかのポートを選択して水を見つけるよう訓練された。香りの混合物の難易度は変化させ、選択を容易なものもあれば困難なものもあった。選択を行った後、ラットは報酬が届くかもしれないし、届かないかもしれない状況で待たなければならなかった。実験の一つのバージョンでは、報酬が全く予測できないタイミングで届くように設定されており、ラスクは自分たちがどれほど正解である可能性が高いかという自身の判断に頼らざるを得なかった。もし自信を感じていれば、彼らは長く待ち、確信がなければ早く立ち去った。このシナリオにおいて、ラットが選択した待ち時間は、その確信度の直接的な尺度となった。
次に研究者たちは、報酬のタイミングが固定され予測可能である第2のバージョンのタスクを導入した。水は常に選択のちょうど0.5秒後に届く。この条件下では、ラットの知覚的な決定は鋭いままであり、以前と同じ精度で正しいポートを選択していた。しかし、彼らの待ち行動は劇的に変化した。彼らは自信があるときでも長く待つことはなくなった。代わりに、確信があろうとなかろうと、ほぼ同じ時間待つようになったのだ。内部的な感覚としての確信は依然として存在していたが、それは行動を形作る力を失っていた。これは、「脳が自信を感じなくなったのか、それとも単にその感覚を使って待機することを止めたのか」という問いを投げかける完璧な機会となった。
これを確認するため、チームは価値や確信の処理に関わるとされる領域である眼窩前頭皮質における、数百のニューロンの活動を記録した。彼らは、ニューロン自体には変化がないことを発見した。ラットが待ち時間を決定するために自信を用らなくなったときでも、個々の脳細胞は高い確信や低い確信を明確に信号するパターンで発火し続けていた。感覚としての内部表現は、強固で完全なままだった。問題は、脳が自信を感じる方法を忘れたことではなく、その感覚を身体の他の部分が容易に読み取れるような形で組織化することを止めたことにあった。
研究者たちは、その鍵がニューロンの集団がどのように連携するかにあることを見出した。予測不可能な条件下でラットの自信が待ち時間を導いていたとき、ニューロンは時間の経過とともに高度に組織化され、安定したパターンで発火していた。この組織化によって、脳は確信の明確で線形な信号を維持し、待ち時間の間のどの瞬間においてもアクセス可能な状態にすることができた。それはあたかも、ニューロンが、脳の他の部分が理解し行動に移すことができる一貫した言語を話しているかのようであった。一方、自信が行動を導かなくなった予測可能な条件下では、この組織化が崩壊していた。ニューロンは依然として発火していたが、その集合的なパターンは無秩序で不安定になっていた。信号は存在していたものの、その構造は混沌としており、下流の脳部位が容易にアクセスできるような形ではなかった。情報の存在は確かであったが、それはスムーズな線形的な読み取りを許さない混沌とした構造の中に埋もれてしまっていたのである。
この組織化こそが欠けていたミッシングリンクであることを証明するために、科学者たちは光を用いて、眼窩前頭皮質と、運動や習慣に関わるより深い脳構造である線条体の間の特定の接続を一時的に遮断した。待ち時間の間にこれらの特定の経路を抑制または活性化させることで、彼らは確信と待ち時間の間のつながりを断ち切ることができた。通常であれば自信に基づいて待ち時間を調整していた予測可能な条件下であっても、これらの接続を阻害すると、ラットは確信度に応じて待ち時間を調整することを止めた。これにより、眼窩前頭皮質は単に確信という感覚を保持しているだけでなく、その感覚を下流へと送るために特定のパターンへと組織化しなければならないことが確認された。
本研究は、強力な内部表現を持つだけでは不十分であることを明らかにしている。脳は、その信号をシステム全体が利用できるように、特定の組織化された幾何学的構造へと配置しなければならない。脳のニューロン集団がよく組織化されているとき、自信のような内部的な思考は行動へと自由に流れ込む。しかし、その組織化が崩れると、たとえ明確で強い思考であっても、その内部に閉じ込められたまま、動物が次に行う行動に影響を与えることができなくなる。このことは、行動の柔軟性が、私たちがどれほど強く何かを感じるかよりも、脳がそれらの感覚を読み取られ、実行されるためにどのように配置するかに依存していることを示唆している。
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