複雑な思考を生み出すために、脳の構造はどのように調整され、相互に作用しているのか:フラクタル脳内ネットワーク

健康

人間の脳がどのようにして複雑な思考を生み出しているのかを理解することは、その複雑さと規模からして困難です。

脳には約1,000億個の神経細胞があり、その神経細胞は100兆個の結合を介して活動を調整しています。

また、これらの結合はネットワークに編成されており、そのネットワークは人によって似通っていることが多いのです。

ダートマス大学の研究では、フラクタルという数学的概念を用いて脳のネットワークを見る新しい方法を発見し、人々が短い物語を聞いているときの異なる脳領域間のコミュニケーションパターンを伝えることに成功しました。

この成果は、Nature Communicationsに掲載されました。

有名なフラクタル図形であるマンデルブロ集合

有名なフラクタル図形であるマンデルブロ集合を、1倍、4倍、16倍、64倍の異なる空間スケールで拡大したもの(左から順に)。©Jeremy R. Manning

ダートマス大学の心理・脳科学助教授で、コンテキスト・ダイナミクス・ラボのディレクターであるJeremy R. Manning氏は、「私たちの思考を生み出すために、脳は驚くべき接続パターンの光の嵐を作り出します。このパターンは美しく見えますが、同時に非常に複雑です。私たちの数学的フレームワークによって、これらのパターンが異なるスケールでどのように関連し、時間とともにどのように変化するのかを定量化することができます。」

幾何学の分野では、フラクタルとは、異なるスケールで類似して見える形状のことです。

フラクタルの中では、形やパターンが無限の連鎖で繰り返されています。

例えば、小さな螺旋がさらに小さな螺旋を構成し、その螺旋がさらに小さな螺旋を構成する、といった具合です。

ダートマス大学の研究によると、脳のネットワークも同様の方法で構成されており、脳の相互作用のパターンが異なるスケールで同時に反映されているといいます。

人が複雑な思考をしているとき、脳のネットワークはフラクタル的なパターンに自然に編成されるようです。

しかし、そのような思考が中断されると、フラクタルパターンは乱れ、完全性を失ってしまいます。

研究チームは、異なるスケール(オーダー)におけるネットワーク相互作用の類似性を識別する数学的枠組みを開発しました。

脳の構造が一貫した相互作用のパターンを示さない場合、研究チームはこれを「ゼロ次」パターンと呼びました。

脳構造の個々のペアが相互作用する場合、これは「1次」パターンと呼ばれます。

「2次」パターンとは、異なるスケールの異なる脳構造のセットで、同じような相互作用のパターンを指します。

相互作用のパターンがフラクタル化し、「1次」以上のパターンになると、異なるスケールでパターンが繰り返される回数を表します。

今回の研究では、10分間の物語を録音した音声を聞いた人の脳内ネットワークは、自発的に4次のネットワークパターンに編成されることがわかった。

しかし、この組織化は、録音された音声を変更して聞いた場合には乱れました。

例えば、物語の段落をランダムにシャッフルして、物語の意味を一部だけ残した場合、脳内ネットワークは2次のパターンしか表示されませんでした。

一方、物語のすべての単語をシャッフルした場合は、最低レベル(ゼロ次)のパターン以外はすべて乱れました。

ダートマス大学の心理・脳科学大学院生である筆頭著者のLucy Owen氏は、「ストーリーを細かくシャッフルすればするほど、ネットワークパターンのフラクタル構造が乱れます。」と述べています。

「このフラクタルパターンの乱れは、物語の理解度と直接関係しているように見えたので、この発見は、物語の中で起こっていることを理解するために、私たちの脳構造がどのように連携しているかについての手がかりになるかもしれません。」

フラクタルネットワークのパターンは、驚くほど人によって類似していました。

あるグループのパターンから、別のグループが物語のどの部分を聞いているかを正確に推定することができました。

研究チームはさらに、どのような脳構造が相互作用してフラクタルパターンを生み出しているかを調べました。

人が物語を聞くとき、脳のネットワークはフラクタルパターンに編成される。

人が物語を聞くとき、脳のネットワークはフラクタルパターンに編成される。 小規模なパターン(1次、2次)には、聴覚処理や音声処理領域(黄色)が関与している。 大規模なパターン(3次)では、視覚領域(青)が関与する。 最大規模のパターン(4次)では、高度な認知(ピンク)や認知制御(緑)を司る脳領域が関与している。 オレンジとシアンの楕円は、それぞれ低次領域と高次領域のグループ化を示す。

その結果、最も規模の小さい(1次の)相互作用は、生の音を処理する脳領域で生じていることがわかりました。

2次の相互作用は、生の音を処理する領域と音声処理領域を結びつけ、3次の相互作用は、音や音声を処理する領域と視覚処理領域のネットワークを結びつけました。

最も規模の大きい(4次)相互作用は、これらの聴覚と視覚の感覚ネットワークを、高度な思考を支える脳構造と結びつけました。

研究チームによると、これらのネットワークが複数のスケールで構成されている場合、脳が生の感覚情報を、生の音から音声、視覚、そして完全な理解へと、複雑な思考へと処理していることを示している可能性があるといいます。

研究チームの計算フレームワークは、神経科学以外の分野にも応用可能で、すでに株価や動物の移動パターンの相互作用を調べるために、類似した手法の使用を開始しています。

Published by Dartmouth College. High-level cognition during story listening is reflected in high-order dynamic correlations in neural activity patterns, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25876-x
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