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2004/02/26 Vol.266
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【北澤茂(きたざわ・しげる)@順天堂大学 医学部 生理学第一講座 教授】

 研究:運動の学習と制御の神経機構、脳内の時間順序表現メカニズム
 著書:小脳における上肢随意運動の学習機構の解明.
    『ブレインサイエンスレビュー2001』(伊藤正男,川合述史編/医学書院、2001:216-243.)
    到達運動の制御と学習の神経機構.
    『脳の高次機能』(丹治順,吉澤修治編/朝倉書店,2001:106-118.)

 研究室ホームページ:http://www.med.juntendo.ac.jp/kenkyu/09index.html(建設予定)

 研究内容の参考になるウェブサイト:
  ▼HFSP NewsLetter No.13 ―多才な運動を実現する脳の機構の解明へ―
   http://jhfsp.jsf.or.jp/news/letter/no13/nl-05.html
  ▼HFSP NewsLetter No.17 ―ノイズが開く運動制御の可能性―
   http://jhfsp.jsf.or.jp/news/letter/no17/nl-03.html
  ▼AIST Research Hot Line 手の交差で時間が逆転 ―脳の中の時間―
   http://www.aist.go.jp/aist_j/aistinfo/aist_today/vol01_06/vol01_6_p12.pdf

○腕をコップに向けて伸ばす、このような運動を「到達運動」と言います。このとき、脳のなかでは腕を制御するためにある種の計算が行われていると考えられています。ではそれはどのような規範に基づいているのでしょうか。北澤先生はこのような運動制御における小脳の役割について研究しておられます。
 また、北澤先生は実に不思議な現象を発見しました。右左の手をポンポンと叩く。どちらが先に叩かれたのかは、目をつぶっていても分かります。ところが、腕を交叉するとこの時間順序の判定が逆転するというのです。これはいったい何を意味するのでしょうか。
 身近な身体に関する研究の話です。不思議なことは私たちのすぐそばにいくらでもあるということを感じて頂ければと思います。(編集部)



前号から続く (第3回)

[08: 期待値からのズレを修正するシグナル?]

■この行く先情報も、ある意味で、誤差のシグナルだと解釈することもできます。というのは、サルは、ある範囲のなかで刺激が出てくるんだと知ってますよね。そうすると、期待としては、中央くらいに期待を抱いているわけですよね。

○はい。

■ということは、右下に出るということは、期待よりも右下に出たということになりますよね。そうなると期待していたところよりも、右下に、腕をずらさなければならないんだということになりますよね。

○修正するシグナルですか?

■そうですね。
 この範囲に出ることは分かってるけど、出るかどうか分からない、というときに、自分は真ん中あたりから出てくると思っていたけど右下あたりから出てきたと。そういうときにこのシグナルが出るんだと思うんですね。

○なるほど。

■たとえば、野球のバッターが、ヤマを張って待ってるとしますよね。ヤマを外されたと。左寄りを予測していたのに右寄りに来たと。そういうときにこの複雑スパイクが出るんだと考えることもできます。

○ふむ。

■そういう意味でいうと、なんていうんですかね、この行く先の情報に何か機能的な意味があるとすれば、「予測の改善」です。ヤマ張りの改善です。それには効く可能性がありますね。

○うーむ。ヤマ張りの改善っていうことでいうと、たとえばモグラ叩きの例えでいえば、ヤマ張りっていうのはいわば、特定範囲内全てにモグラが全部出た状態を予測しているんじゃないでしょうか? つまり全部ポジティブな状態で、逆にネガティブなところをバーッと下げていって、最後までポジティブな場所に手を伸ばしていってるような感じがするんですけども……。

■なるほど、あまねくヤマをはると。

○はい、それで最終的なターゲットに落ちているような、そんな感じがあるんですが、そう考えて、逆に予測値を潰すシグナルとして働いているとは考えられないんですか。
 いま自分でも適当なこと言ってるなと思いながら伺ってるんですが(笑)。ヤマ張りっていうのは出現を予測することだから、そこから運動制御を考えると、そんな感じの可能性はないのかなあと思って。

■うーん……、そうですね。たとえば、モグラ叩きの穴全部に目配りができたとするじゃないですか。でもその場合の重心は真ん中ですよね。ですから、全体にヤマを張っているつもりでも、全体に均等に注意を払っているというのは、真ん中に注意を払っているのとあんまり変わらない可能性もありますよね。

○なるほど。そうかもしれないですね。バッティングとかだと確かにそんな感じはしますね。期待値が予測範囲の真ん中で最大で、それに応じて軌道修正とかしているような感じはしますね。

■なるほど、いまのモグラ叩きの例でいうと、全体にヤマを張っているとしますね。それで腕を取りあえず近づけていくとすると、まずどこに近づけていきますか。

○あー、どこへ近づけていくか。やっぱり真ん中に重きを置くのかなあ。真ん中か手元でしょうか。リーチ範囲でしょうか。先生方の研究でもありましたが、ボディイメージにも関わってくると思うんですが。

■ええ。やっぱり、ハンマーの先に(注意が)飛んでるんだと思いますけどね。
 取りあえず、ここは解釈で。データがあるわけではないので。一つの解釈としては、予測を改善するとか、あるいは、環境の変化−−たとえば、いまは画面上の全体にターゲットが等確率で出るという条件になっていますが、右下のほうだけに出るというふうに変わるかもしれないですよね。そのときには予測する場所を変えたほうがいいですよね。きちんと制限時間内にあてるためには。そういう運動が始まる前の予測の学習に寄与し得る信号かもしれません。

○ええ。

■ただ、私が記録した小脳のこの場所が、予測に関係あるかどうかというと心もとない。この領域はどっちかというと運動制御の場所で、「ターゲットの出現場所の予測がはずれた」というシグナルが来たとしてもあまり意味ないかもしれないですけどね。登上線維は前後方向に広く投射しています。だからここのエリアでは意味なくても、たとえばもう少し後ろのほうのエリアでは意味があるということがあるかもしれない。

○後ろのほう?

■このデータは、前のほう、前葉で取りました。運動制御に関係するような場所で。後ろのほう、後葉には前頭葉の運動前野などと繋がりの深い部分がありますので。そういう部分で予測システムをトレーニングするのに役に立っているかもしれない。

○はい。

[09: 行く先と誤差も実は同じ?]

■運動開始時の行く先の情報の話が長くなりました。
 今度は、同じ細胞の、運動終了直後の発火に注目してみましょう。そうすると1400回のうちの、92回で複雑スパイクが出ました。先ほどと同じように黄色い丸をつけてみると、誤差については、左上にはずしてしまったとき、第2象限に黄色い丸が多い。一方、行く先については均等に分布している。
 つまり、運動終了直後の複雑スパイクについては、誤差についての情報はあるんだけど、行く先の情報はもはやない、ということがわかります。

○ええ。

■ここで方向選択性について考えて見ましょう。この細胞の場合、行く先については右下、誤差については左上で発火の確率が上昇しています。見かけ上、だいたい180度違います。

○ええ。

■しかし、本質的には同じ、と見ることもできるのです。終点の誤差については、左上にずれたということは、本当は右下にずらすべきだったということになります。

○まあそうですね。

■これは、ターゲットが真ん中に出ると期待していて、右下に出た場合、つまり「あ、右下に変えなくちゃいけない」、というのと、同じと言えば同じですね。

○ええ。ということは……。

■細胞によって好きな方向はみんな違うんですけども、行く先と誤差の情報を両方持っている場合は、好きな方向が180度逆を向いています。ということは、修正すべき方向、に直して考えると、本質的に両者の方向は一致する、と考えることも可能です。どちらの信号も、出所は同じなのかもしれません。本当は。

○なるほど。

■情報量を定量化してグラフにすると、運動の開始時には行く先の情報が、運動の終わりから直後からは、このように二つ、誤差の情報が出てきます。運動の開始時には、運動の行く先に応じて発火確率が変わって、運動の終了時には誤差によって発火確率が変わるということを反映しています。
 複雑スパイクは行く先も誤差も表現していたということで、二つの対立する学説はどちらも正しかったわけです。めでたしめでたしということで発表しました。しかし、論文には書きませんでしたが、良く考えると両者にそれほどの距離はないのかもしれない。

○はい。

■いずれにせよ、とにかく、誤差の情報が出ているんだと。これが知りたかった、というか確かめたかったんです、僕は。いちおう確かめることができた。これに3年くらい時間がかかったんですけどね(笑)。

[10: スムースな最適化された運動はどうやって選ばれるのか]

■ようやく、最適化の話に戻ってきました。
 ここで小脳の学習則を考えてみましょう。ここでシナプスの結合係数をSとしましょう。毎回運動すると、ポコンと登上線維がエラーのシグナルを送るわけですね。その前に入ってきていた平行線維とのインプットとの間で、かけ算をして、その分だけシナプス荷重が変わると。一般的な学習則としては、こんなふうになりますよね。

○ふむ。

■この平行線維からのインプットが、エラーとは独立に、入ってくるとします。目標軌道が入るかどうか分からないですけども、とにかく、やりたい運動に関する信号がエラーとは独立に入力するとします。
 さらに、ある程度学習が進んで、終点の誤差の平均が取りあえずゼロになるような制御が実現されていたとしましょう。毎回エラーが出るかもれないけども、毎回の平均をとってやると0になる、という状況を考えると、そこから先はシナプス荷重は変わらなくなりますよね。平行線維入力が誤差信号とは独立だった場合ですけども。
 そうすると、平均的な誤差がゼロになると、小脳は学習をストップするということになります。

○はい。

■ところがですよ、終点での平均誤差がゼロであるような運動は無数にあります。僕が知りたいのは、そのなかでもスムースな最適化された運動がどうやって選ばれるかという問題です。
 結局、登上線維が誤差を表現していると言ってみたところで、最適化の問題は解けねえなと。そういう感じがしてですね、また暗い気持ちになってきたんですが(笑)、ちょうど僕がこの登上線維シグナルの仕事を発表した頃に、同じ年に、ハリスとウォルパートが、第3の説を出したんですね(Harris & Wolpert, Nature, 394: 780-784, 1998)。これが−−彼らは、いまなんて呼んでるのかな−−いちおうここでは「終点誤差分散最小仮説」と呼ぶことにします−−を出したわけです。TOPS, Task Optimization in the Presence of Signal-dependent noise が現在の正式名称です。信号依存性ノイズ存在下における課題最適化、となりますか。

[11: 手先がバラついてしまう条件下での終点誤差を最小にするための運動とは]

○「終点誤差分散最小仮説」? なんですかそれ。

次号へ続く…。


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◇『英和・和英ナノテクノロジー用語集』(目崎令司/エヌ・ティー・エス) http://www.bk1.co.jp/cgi-bin/srch/srch_detail.cgi?aid=p-moriyama0044&bibid=02410388 http://www.amazon.co.jp/exec/obidos/ASIN/4860430476/sfsciencebook-22/

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◇『〈考察〉日本の自費出版』(渡辺勝利/東京経済) http://www.bk1.co.jp/cgi-bin/srch/srch_detail.cgi?aid=p-moriyama0044&bibid=02410239 http://www.amazon.co.jp/exec/obidos/ASIN/4806407291/sfsciencebook-22/

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◇裳華房 自然科学系の雑誌一覧−最新号の特集等タイトルとリンク−
http://www.shokabo.co.jp/magazine/

■イベント:
◇科学講演会「ダーウィンで科学を楽しむ」
ランドル・ケインズ(ダーウィン・トラスト理事)、養老孟司、向井万起男ほか。
3月22日月曜日13:00〜17:00。 日本科学未来館 みらいCANホール。
申し込み方法:(1)氏名 (2)住所(連絡先) (3)年齢 (4)職業(学校)を記入の上、Emailを下記事務局まで:
政策研科学講演会事務局 (サイマル・インターナショナル内) Email: darwin@simul.co.jp

■ U R L :
◇朝日 胎児性アルコール症候群
http://www.asahi.com/health/jhcolumn/040220/index.html

◇朝日 遺伝子ドーピングで「筋肉ネズミ」成功 人体への応用も
http://www.asahi.com/science/update/0217/004.html

◇毎日 警備ロボをレンタルへ 北九州市のベンチャー
http://www.mainichi.co.jp/digital/computing/archive/200402/17/4.html

◇毎日 量子MPU開発成功 超電導体を利用 名古屋大・横浜国立大
http://www.mainichi.co.jp/digital/computing/archive/200402/17/6.html

◇毎日 携帯電話ワンチップ化にめど TI
http://www.mainichi.co.jp/digital/computing/archive/200402/17/9.html

◇毎日 GPS携帯で「交通取り締まり情報」が交換ができるシステム
http://www.mainichi.co.jp/digital/mobile/archive/200402/17/2.html

◇毎日 複数の指を使う認証ソリューション
http://www.mainichi.co.jp/digital/solution/archive/200402/17/6.html

◇毎日 電子マネー活用など盛り込む 地域再生推進プログラム
http://www.mainichi.co.jp/digital/solution/archive/200402/17/7.html

◇毎日 ロシア:新型宇宙船、2010年にも就航 関連企業「エネルギア」担当者見通し
http://www.mainichi.co.jp/eye/feature/details/science/Space/art/040223M161_0202001E10DF.html

◇毎日 ノートPCは「ソニー」がトップ ブランドイメージ調査 BCN総研
http://www.mainichi.co.jp/digital/solution/archive/200402/23/3.html

◇毎日 NASA:ブラックホール初観測−−息のむ壮大さ、星のむブラックホール
http://www.mainichi.co.jp/eye/feature/details/science/Space/art/040219E064_4111101410EA.html

◇毎日[挑む]研究者たちの素顔/29 岐阜大農学部助教授・村山美穂さん
http://www.mainichi.co.jp/eye/feature/details/science/idomu/01/20040214.html

◇毎日 シーラカンスを鑑賞できるソフト
http://www.mainichi.co.jp/digital/computing/archive/200402/19/9.html

◇読売 新型ATM、手のひらかざし確認
http://www.yomiuri.co.jp/net/news/20040220ij11.htm

◇読売 福岡の商店街でロボットが買い物?特区認定受け実験へ
http://www.yomiuri.co.jp/science/news/20040221i406.htm

◇読売 観測史上もっとも遠い銀河を発見…米の研究グループ
http://www.yomiuri.co.jp/science/news/20040216i102.htm

◇読売 イタリアで発見の感染牛2頭、新型BSEと発表
http://www.yomiuri.co.jp/science/news/20040217i306.htm

◇読売 海の異変、教えてあげる「貝リンガル」
http://www.yomiuri.co.jp/science/news/20040218i201.htm

◇京都新聞 分子に“バーコード”  夢の技術、レーザー使い成功
http://www.kyoto-np.co.jp/kp/topics/2004feb/17/K20040217MKC1Z100000019.html

◇ITmedia 900iの深謀遠慮〜ドコモ榎氏
http://www.itmedia.co.jp/mobile/articles/0402/18/news026.html

◇ITmedia グーパス、サービス開始1年で3万7000人を突破
http://www.itmedia.co.jp/mobile/articles/0402/17/news061.html

◇ITmedia 音から発想する映像制御――ローランドが提唱する「V-LINK」とは
http://www.itmedia.co.jp/anchordesk/articles/0402/16/news028.html

◇ITmedia 発明が素晴らしくてもビジネスは……Segwayの憂鬱
http://www.itmedia.co.jp/news/articles/0402/17/news011.html

◇BB Watch タカラ、IPv6対応の“糸電話”を開発「IPv6 Business Summit 2004」展示会レポート
http://bb.watch.impress.co.jp/cda/event/4285.html

◇AV Watch ソニー、有機トランジスタ採用液晶ディスプレイの試作に成功
http://www.watch.impress.co.jp/av/docs/20040217/sony.htm

◇HotWIRED 筋力回復の遺伝子治療、ドーピングに悪用される懸念
http://www.hotwired.co.jp/news/news/20040218302.html

◇HotWIRED 火星探査車を支えるOSとハードウェア
http://www.hotwired.co.jp/news/news/20040218303.html

◇HotWIRED 「宇宙兵器」開発プロジェクトを進める米国防総省
http://www.hotwired.co.jp/news/news/20040223301.html

◇HotWIRED 「ブッシュ政権は科学研究を歪曲」科学者団体が批判
http://www.hotwired.co.jp/news/news/20040223202.html

◇HotWIRED ロシア、「あらゆる防衛システムを突破できる」超音速兵器の開発に成功
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◇HotWIRED 「5日間食料なしで戦える兵士」開発プロジェクトに取り組む米国防総省
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http://www.itmedia.co.jp/lifestyle/articles/0402/20/news070.html

◇AstroArts 銀河衝突の際には、重力波キックでブラックホールがはじき出される
http://www.astroarts.co.jp/news/2004/02/23black-hole/index-j.shtml

◇AstroArts ハッブル宇宙望遠鏡が捉えた、宇宙に浮かぶ1光年サイズの真珠のネックレス
http://www.astroarts.co.jp/news/2004/02/20sn1987a/index-j.shtml

◇AstroArts 紀元536年に起こった彗星衝突?
http://www.astroarts.co.jp/news/2004/02/20nao701/index-j.shtml

◇AstroArts 巨大ブラックホールによって星が引き裂かれ飲み込まれる現場を初めて発見
http://www.astroarts.co.jp/news/2004/02/20black-hole/index-j.shtml

◇BizTech 沖電気など、車々間の動画伝送システムを開発
http://biztech.nikkeibp.co.jp/wcs/leaf/CID/onair/biztech/comp/291452

◇BizTech 東洋紡など3社、ナノ・テクノロジー使った綿素材形状記憶シャツを開発
http://biztech.nikkeibp.co.jp/wcs/leaf/CID/onair/biztech/ntec/291179

◇JR高槻駅前の複合商業施設アクトアモーレ内・摂津水都信用金庫ATMコーナーがオープン。
ATMコーナー(およびアクトアモーレ内)では案内ロボット「チャオ」が活躍
http://www.settsu-suito.jp/news/040209.html

◇at homeこだわりアカデミー 知られざる火山噴火のメカニズム
http://www.athome.co.jp/academy/earth/eth04.html

◇製造科学技術センター 人間協調・共存型ロボットシステムプロジェクト(HRP)成果報告ページ
http://www.mstc.or.jp/hrp/main.html

◇科学技術者のための総合リソースガイド・NetScience
  http://www.netscience.ne.jp/

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NetScience Interview Mail Vol.266 2004/02/26 発行 (配信数:21,787 部)
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編集人:森山和道【フリーライター】
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