共著論文がJournal of Neuroscienceに出た(PDF)。
この論文では、力学系モデルを応用して、聴覚野での感覚応答を予測している。
ポイントは、脳が「活性化状態」と呼ばれる状態の時、聴覚野の神経細胞たちは線形システムに近い振る舞いを、一方、「不活性化状態」の時は非線形な振る舞いをしていそう、ということ。
＊「活性化状態」は英語ではactivated stateもしくはdesynchronized stateと呼ばれる脳の状態で、覚醒中やREM睡眠中に見られる。「不活性化状態」はinactivated stateもしくはsynchronized stateと呼ばれ、麻酔の効きが深い時や徐波睡眠中に見られる。
力学系モデルとして、ニューロンの活動電位発生を記述するのに使われるFitzHugh-Nagumoモデルを応用している。教科書によく出てくるホジキン・ハクスレーモデルに対し、このFitzHugh-Nagumoモデルは２個の変数だけでニューロン活動を記述できるシンプルさがポイント。
今回はそれを応用して、ニューロン集団の活動を記述しようとした。もちろん、予測精度はまだまだまだまだ・・・改善の余地はあるけれど、詳細を無視したシンプルなモデルの割に、神経集団活動の一側面はそれなりにとらえている気はする（しかも単一試行単位で）。
研究文脈としては、Arieliたちの研究から続いている脳状態と感覚応答の関係を調べる研究トピックの延長線上にあり、聴覚野の計測データに非線形物理の手法を応用した点が一つのポイント。もう一つのヴィジョンとしては、ブルー・ブレイン計画（こちらも）に代表される超ボトムアップな計算論的方法と実験的なマルチニューロン計測の間を埋めるような研究方向、ということかと思われる。（BMIにも応用もできそうな、神経集団活動を「予測」する一解析法を提案したととらえても、もしかしたら良いかも？）
神経生理学と物理を融合する研究分野の一つとして、こういうのもアリということで、個人的にはこのプロジェクトに関われていろいろ勉強になった。
ちなみに、筆頭著者のカリーナさんは、もともと数学・物理出身で、うちのラボに来て初めて神経科学を一から勉強し、新学期からアメリカの中北部で独立する優秀な女性研究者かつ一児の母（旦那もいれて二児という意見もアリ。。。）。
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参考情報
J Neurosci. 2009 Aug 26;29(34):10600-12.
A simple model of cortical dynamics explains variability and state dependence of sensory responses in urethane-anesthetized auditory cortex.
Curto C, Sakata S, Marguet S, Itskov V, Harris KD.
わかりやすく書かれているので、数式アレルギーがあっても読めると思います。モデルはあくまで現象論的な抽象度の高いモデルですが、一応、生物学的な解釈も本文中で少し議論していて、そういう点でも計算論以外の人にも読みやすくなっていると思われます。
ちなみに、この分野の基礎を学びたい場合、
Dynamical Systems in Neuroscience: The Geometry of Excitability and Bursting
がとにかくお薦めの一冊。
今回の論文で登場するFitzHugh-Nagumoモデルもしっかり解説されています。
本の内容的には、単一ニューロンの挙動を非線形システム論的に説明した教科書ですが（最終章は除く）、今回の論文のように、アイデア次第で神経集団レベルの研究にも応用できたりするので、神経科学での非線形物理学に興味がある人は必読な一冊なのかも。
日本でも合原先生をはじめ、非線形物理の分野で世界的に有名な先生方がいらっしゃるので、そういうプロ中のプロの先生が書かれた本を読むのも良いかもしれません。
個人的に読んだことがある日本語の非線形物理関係の読み物としては、蔵本先生が書かれた非線形科学
8/26/2009
聴覚野応答の非線形システム論的予測
8/15/2009
聴覚野と注意
以前、「脳状態と聴覚野」の中で少し扱ったトピック「注意」について再び。
ニューロンの活動を計測しながら聴覚系の注意を研究している２大グループがいて、２００７年にその二つのグループが総説を書いている。今回は、Zadorグループの総説をまとめます。
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まず総説の大まかな構成は以下の通り：
1. Introduction
注意を研究するモチベーションを述べている。
2. A brief and idiosyncratic review of auditory attentional modulation
聴覚系での注意の研究史を簡単にまとめている。
3. Toward the mechanisms of attentional modulation
著者らの研究戦略と進捗状況について記述している。
4. Conclusions
彼らのヴィジョンがまとめられている。
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各パートをもう少しだけ掘り下げて：
1. Introduction
ポイントはこう：単純化したフィードフォワード型の回路として脳を考える昔ながらの研究は、行動状態（本文中ではbehavioral and/or cognitive stateという表現）によって情報処理が変わるという事実を考慮にいれてなくて、そういう神経活動に影響を及ぼすような行動・認知状態を調べるモデルとして聴覚系の注意を研究しますよ、ということ。
2. A brief and idiosyncratic review of auditory attentional modulation
キーとなる歴史的な背景が非常に簡潔にまとめられている（Fritzらの総説が断然に詳しい）。
大まかな歴史としては、１９５９年のHubelたちの研究がパイオニアで、その後、麻酔研究最盛期になったからか、しばらく停滞。そして、２０００年に入って、Fritzたちの研究を中心に、聴覚研究者からまた脚光を浴びてきた。（ここで実際に紹介されている論文たちは後述）
3. Toward the mechanisms of attentional modulation
著者たちは注意を神経回路レベルで理解したいと思っていて、そのためのモデル生物としてげっ歯類を対象としている。そのメリットとして２つ挙げている。
第一に、コスト。
維持コストが安く、平行してたくさんの動物をシステマティックにトレーニングできると。
第二に、技術。
パッチクランプを含めた電気生理はもちろん、分子、イメージングを応用しやすいと。
さらに、著者らが現在どんな行動課題を開発して、どんな神経相関をとらえつつあるか、この時点での進捗状況を報告している。（彼らの最近の関連論文は後述）
4. Conclusions
聴覚野の聴覚応答は、感覚刺激だけでなく、刺激が呈示された時の行動文脈に影響を受ける。それをげっ歯類をモデルに、様々な方法論でアプローチしていくのが戦略。そして長期的ヴィジョンは、注意やモチベーションといった、非感覚的な要因が神経回路の活動をどう変えるのか理解して、最終的にはカクテルパーティー効果といった問題を皮質でどう解かれているか理解したいということ。
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参考・補足情報
Hear Res. 2007 Jul;229(1-2):180-5. Epub 2007 Jan 17.
Toward the mechanisms of auditory attention.
Hromádka T, Zador AM.
今回紹介した総説。
Hearing Researchという専門性の高い雑誌ということで、聴覚研究者をターゲットに書かれている。視覚でバリバリ注意を研究されている方には、聴覚研究はこんなものか、と思われるかもしれません。。。ただ、げっ歯類を対象にした研究という点で、回路・シナプスレベルの注意研究への期待を持てるかもしれません。あと、書き方は参考になります。
Zador研の最近の論文のうち、この総説で書かれていることと関係する論文を（他にも重要論文たくさんアリ）
Nat Neurosci. 2009 May;12(5):646-54. Epub 2009 Apr 12.
Engaging in an auditory task suppresses responses in auditory cortex.
Otazu GH, Tai LH, Yang Y, Zador AM.
新規性に関してはコメントは難しいけど、iPodならぬrPod（rはratのr）を開発して、いろんな観点から注意による活動減少を調べた点は評価して良いと思ってます。ただ、神経集団の計測規模をもっと上げたらどうなるかは注意が必要か。
PLoS One. 2009 Jul 7;4(7):e6099.
PINP: a new method of tagging neuronal populations for identification during in vivo electrophysiological recording.
Lima SQ, Hromádka T, Znamenskiy P, Zador AM.
オプトジェネティックス。アイデアが非常にすばらしい。論文はまだ読んでないけど、「同期（単シナプス性の遅延も含むくらいの時間）」の問題がやっかいと筆頭著者の人が以前言っていた。
Curr Opin Neurobiol. 2009 Aug 10. [Epub ahead of print]
Representations in auditory cortex.
Hromádka T, Zador AM.
今気づいた総説。
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総説中の２番目のセクションで引用されていた文献を備忘録的にリストアップ：
Science. 1956 Feb 24;123(3191):331-2.
Modification of electric activity in cochlear nucleus during attention in unanesthetized cats.
HERNANDEZ-PEON R, SCHERRER H, JOUVET M.
蝸牛核のレベルですでに神経活動が変化すると報告した模様。
Science. 1959 May 8;129(3358):1279-80.
Attention units in the auditory cortex.
HUBEL DH, HENSON CO, RUPERT A, GALAMBOS R.
Hubelらの研究。ネコが音源に注意を向けた時にだけ聴覚刺激に応答する”attention units”を聴覚野から報告していて、１０％くらいこのカテゴリーに入るのではないかと見積もっている。さらに、注意という変量を定量することの困難さも指摘している。「聴覚野と注意」という点では最初の研究か。
J Physiol. 1964 Jun;171:476-93.
CLASSIFICATION OF UNIT RESPONSES IN THE AUDITORY CORTEX OF THE UNANAESTHETIZED AND UNRESTRAINED CAT.
EVANS EF, WHITFIELD IC.
Hubelらの研究やKatsukiらの先駆的な研究などを受けて行われた包括的研究。たぶんmust-readで、聴覚野に特化した神経生理の研究ってこの時代から質的に進展してないのでは？とすら思えるくらいいろんな重要問題に取り組んでいる。
Science. 1971 Jul 23;173(994):351-3.
Human auditory attention: a central or peripheral process?
Picton TW, Hillyard SA, Galambos R, Schiff M.
クロスモーダルな注意（音と光が同時に呈示されて、どちらかの感覚モダリティーに注意を向けること）を調べる実験系をはじめて導入した先駆的な研究の一つ。論文の扱っているトピックとしては、上述の蝸牛核での注意による影響をヒトで調べたけど、再現できなかった、というネガティブデータで論争を巻き起こそうとしている様子。（そもそも計測法、計測対象が違うんだから、ネガティブデータを得たところで論争を巻き起こせるのか？という気もするけど、当時の研究文脈としては重要だったのだろう。）現在、この論争がどうなっているか気になるところ。
Science. 1972 Aug 4;177(47):449-51.
Single cell activity in the auditory cortex of Rhesus monkeys: behavioral dependency.
Miller JM, Sutton D, Pfingst B, Ryan A, Beaton R, Gourevitch G.
要旨を読む限り、学習とも関連が深そう。トレーニングの過程によって聴覚野の聴覚応答が違うことを報告している。
Brain Res. 1976 Nov 19;117(1):51-68.
Evoked unit activity in auditory cortex of monkeys performing a selective attention task.
Hocherman S, Benson DA, Goldstein MH Jr, Heffner HE, Hienz RD.
クロスモーダルな課題を行っている時の神経応答を調べている。聴覚刺激に注意を向けている時でも、活動が減少する聴覚野ニューロンが意外と多いことを報告している点はポイント。
Am J Otolaryngol. 1980 Feb;1(2):119-30.
Electrophysiologic studies of the auditory cortex in the awake monkey.
Miller JM, Dobie RA, Pfingst BE, Hienz RD.
総説。
Nat Neurosci. 2003 Nov;6(11):1216-23. Epub 2003 Oct 28.
Rapid task-related plasticity of spectrotemporal receptive fields in primary auditory cortex.
Fritz J, Shamma S, Elhilali M, Klein D.
注意によって聴覚野ニューロンの受容野特性が変化することをシステマティックに調べた研究。
J Neurosci. 2005 Aug 17;25(33):7623-35.
Differential dynamic plasticity of A1 receptive fields during multiple spectral tasks.
Fritz JB, Elhilali M, Shamma SA.
上の研究の続報。
Hear Res. 2005 Aug;206(1-2):159-76.
Active listening: task-dependent plasticity of spectrotemporal receptive fields in primary auditory cortex.
Fritz J, Elhilali M, Shamma S.
その時点までの彼らの研究をまとめた総説。
J Neurosci. 2005 Jul 20;25(29):6797-806.
Nonauditory events of a behavioral procedure activate auditory cortex of highly trained monkeys.
Brosch M, Selezneva E, Scheich H.
課題をトレーニングしたサルの聴覚野で体性感覚・視覚刺激で応答するニューロンがいることを報告している。注意研究の文脈として解釈すべきかやや不明。クロスモーダルな相互作用という文脈では少なくとも重要。
Cereb Cortex. 2005 Oct;15(10):1609-20. Epub 2005 Feb 16.
Attention to simultaneous unrelated auditory and visual events: behavioral and neural correlates.
Johnson JA, Zatorre RJ.
クロスモーダルな課題で注意に依存してBOLD信号が変化することを示した論文。ヒトのイメージング関連についてはFritzらの総説を。（＊ヒトでの注意研究の最新情報はvikingさんのブログで常にアップデートされてますね）
という感じで、このセクションは、イントラモーダル、クロスモーダルな注意、さらには注意と学習どちらの効果かグレーな論文が入り乱れという感はぬぐえず。注意の定量の問題とも関連するか。個人的には脳活動ベースで定義なり定量していく方向に興味あり。
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関連書籍
The Auditory Cortex: A Synthesis Of Human And Animal Research
３年に一度開催される聴覚野のミーティング。この本は第一回２００３年のミーティングをまとめた超マニアックな本。ただ、注意はほとんど扱われていないか。。。グーグルさんがかなりのページを公開してくれてます。
今年、３回目のミーティングが今年あって、ケン・ハリスさんも演者として招待されているようだ。有名どころはほとんど呼ばれているのではないかという気がする。（一方で、最近ミーティングの存在を知って、一般演題登録にすら間に合わなかった私。。。）
8/01/2009
音節構造を柔軟に区別するバイリンガル幼児
子供の中にはいわゆるバイリンガルの環境で育って、二言語を同時に獲得していく子もいる。二言語を同時に獲得するというマルチタスクを柔軟にこなしているとも言える。
（＊このエントリーでの「バイリンガル環境」とは、親もバイリンガルで、子供は誕生直後から親を通して二言語に触れている環境、のことなので、一般的に使われる「バイリンガル環境」より定義は狭いのでご注意を。）
では、そういうバイリンガル環境で育った子は、モノリンガル環境で育った子と比べ何がどう違うか？
約12ヶ月齢の幼児を対象にした研究によると、バイリンガル環境で育った子は、モノリンガル環境で育った子よりも、音節の構造をより柔軟に区別できることがわかった。バイリンガル環境で育つ子が二言語を効率良く獲得できることと、今回わかった違いは何か関係があるのかもしれない。
新着のサイエンスで報告されている。
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ここでいう「音節の構造」とは、例えば、「か」と「さ」という二つの音節を使って、それを「か・さ・か（ABA）」や「か・か・さ（AAB）」と組み合わせて作った音声のことをいう。（実際にはlo-lo-vuやlo-vu-loという音声をこの研究では使っている）
研究はイタリアで行われ、バイリンガルの幼児とは、母親もバイリンガルで生後から二言語の環境で育っている幼児のこと。
研究ではまず、幼児をスクリーンの前に座らせる（おそらく母親がスクリーンの前に座って幼児を抱える）。
そして、AABタイプの音声が流れたらスクリーンの左にオモチャの写真を、ABAタイプだったら右にオモチャを見せる。すると、幼児はオモチャにつられて視線がオモチャの方向に動く。AABなら左、ABAなら右、と。
この課題をしばらく繰り返す。
次に、音節構造はAABかABAの二種類で同じだけど、各音節として新しい音節を試す。さらに、音声の後に見せていたオモチャも出さないようにする。けど、幼児は条件反射的に右か左に視線を動かす。その視線の動きと聞かせた音声との関係を調べてみた。
つまりは、幼児がABA、AABという音節構造を区別し、
AAB－左、ABA－右
というルールを学習しているか確認してみたわけである。
すると、バイリンガル環境で育った子は、AABなら左、ABAなら右に視線を動かす傾向があった。一方、モノリンガル環境で育った子は、AABなら左に動かす傾向があったけど、ABAでのパフォーマンスが悪かった。
これだけだと、バイリンガルの子は、音節構造の区別そのものが良くできるのか、それとも、違う音と左右という空間を結びつけるのがうまいのか、少し曖昧。
そこで研究では、音声の高低も変えて、モノリンガルの子が違う音と左右の空間をしっかり結び付けられるか確認した。すると、この場合、モノリンガルの子はしっかり学習できた。
ということで、バイリンガル環境で育った12ヶ月齢の子は、音声構造の区別そのものがうまい、別の表現をすると、規則的な構造を持つ複数の対象物をより柔軟に学習できそう、ということがわかってきた。
この能力が、二言語に触れている環境でも、各言語を効率良く学習していくのに役立ち、結果的には、モノリンガルの子と近いペースで言語を獲得していくことにつながっているのかもしれない。
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参考情報
Science. 2009 Jul 31;325(5940):611-2. Epub 2009 Jul 9.
Flexible learning of multiple speech structures in bilingual infants.
Kovács AM, Mehler J.
今回紹介した論文。著者のMehlerという人はこの分野のキーパーソンか。
このグループは他にも以下の研究を立て続けに報告している：
Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 Sep 16;105(37):14222-7. Epub 2008 Sep 3.
The neonate brain detects speech structure.
Gervain J, Macagno F, Cogoi S, Peña M, Mehler J.
この研究では、新生児にAAB、ABC、ABAという音節構造を持つ音声を聞かせ、脳活動を近赤外線分光法（NIRS）で計測している（生まれて数日以内に調べていて、バイリンガル、モノリンガルは区別していない）。すると、AABに対する応答はABCやABAより大きく、脳活動のレベルでAABという繰り返しが続く音節構造を新生児の段階ですでに区別できることがわかった。
これはもしかすると、これはモノリンガルの子がABAの学習が良くなかったことと関係しているかもしれない。
Proc Natl Acad Sci U S A. 2009 Apr 21;106(16):6556-60. Epub 2009 Apr 13.
Cognitive gains in 7-month-old bilingual infants.
Kovács AM, Mehler J.
こちらは７ヶ月齢のバイリンガルとモノリンガルの、いわゆるcognitive controlの能力を調べていて、バイリンガルの子達がモノリンガルの子達よりよくできる、というデータを出してきている。
こういうのを見て思うに、親という社会的にも生物学的に重要な存在から発せられる信号を、かなり早い時期から脳で詳しく分析していて（それは当然か）、バイリンガル環境の場合、その信号が時と場合によって全然違うから、こういう柔軟性なり、音声認識の能力が研ぎ澄まされていくのかもしれない。もちろん、この時点での能力の差を長い人生で如何にのばしていくかは、その後の環境などに大きく依存するのだろうけど。。。
それにしても、こういう研究はヒトを対象にしているだけに、いろんな意味でインパクトがありそう。（誤った方向にも行きやすいとも言えるか。。。）
ついでに、
Trends Cogn Sci. 2008 Apr;12(4):144-51. Epub 2008 Mar 17.
Bilingualism in infancy: first steps in perception and comprehension.
Werker JF, Byers-Heinlein K.
今回紹介した論文でも引用されていた総説。この分野に興味がある場合、必読か？
「バイリンガル幼児（bilingual infants）」は、生後からバイリンガル環境で育った2歳までの子供、とある。
とすると、Mehlerさんたちは同じ家族を追跡調査しているのだろうから、これから報告されるであろう研究も、この分野に大きく貢献しそう。
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最後に関連（するかもしれない）図書も調べてみた。
The Bilingual Child: Early Development and Language Contact
以下の本は、二言語環境で育っている子を持つ親としてちょっと惹かれた二冊。
（科学者の端くれだという立場は忘れてますのでご注意を。。。）
バイリンガル教育の方法―12歳までに親と教師ができること
Raising a Bilingual Child
一方で、実体験として、間接的に聞く話として、バイリンガル環境で育つ子供の難しさもなくはないので、後者の本は、超楽観過ぎ、バイアスがかかっている、と思っても方が良いかも。。。（あくまで冒頭部分を読んだ限り、バイアスをやや感じた。サンプルの以下でメリット・デメリットがバランス良く書かれているなら、問題ナシ）
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