視覚的注意: 脳が目に見える世界をどのように最大限に活用するか

2009 年 3 月 25 日

視覚的注意: 脳が目に見える世界をどのように最大限に活用するか

2009 年 3 月 25 日

カリフォルニア州ラホーヤ—視覚系の能力には限界があり、網膜に映るすべてのものを処理することはできません。 代わりに、脳は注意力に頼って、顕著な細部に焦点を当て、背景の乱雑さを除去します。 ソーク生物学研究所の研究者らによる最近の XNUMX つの研究、XNUMX つは計算モデリング技術を使用した研究、もう XNUMX つは実験技術を使用した研究で、注意の根底にあるメカニズムを解明するのに役立ちました。

「日常的に見る場合、私たちの注意の対象となる視覚的な詳細は、一般に、瞬間的には行動とは無関係な多くの刺激に囲まれています。」 ジョン・H・レイノルズ、博士、ソーク研究所のシステム神経生物学研究室の准教授であり、ジャーナルの26年2009月XNUMX日号に掲載された研究を主導しました ニューロン。 「注意力は、関連する情報を脳内の意思決定領域に動的に送り、周囲の混乱を抑制します。」

しかし、脳がどのようにしてこの偉業を達成するのかについては、多くの議論の的となっている。 以前の号で ニューロン レイノルズと、ニューヨーク大学心理学部および神経科学センターの教授であるデイビッド・J・ヒーガー博士は、注意力の新しい理論モデルを提唱しました。 彼らのモデルは、注意が視覚系で使用されるのと同じ神経回路を利用して感度を調整することを示唆しており、これにより私たちは一日のコントラストや照明の大きな変化に関係なく世界を認識できるようになります。

「知覚における注意の中心的な役割は、実験心理学の黎明期から知られていました。このテーマに関しては膨大な量の研究が行われてきましたが、表面的には矛盾する実験データが長年研究者を当惑させてきました」とレイノルズ氏は言う。 「私たちのモデルは、ごちゃ混ぜに見えた観察結果を単純な枠組みの中にまとめ、最新の研究で理論の予測を検証し、確認しました。」

視覚入力の強さは桁違いに変動します。 視覚システムは、感度を調整することでこれらの変化に自動的に反応し、かすかな入力に対してはより敏感になり、強い入力に対しては感度を下げます。 たとえば、晴れた日に暗い講堂に入ったとき、最初はほとんど何も見えませんが、時間の経過とともに視覚システムが適応し、環境に合わせて感度が高まります。

これのより巧妙なバージョンは、いわゆるコントラスト ゲイン コントロールです。 「アンセル・アダムスの写真を見つめて数分間過ごしてください。あなたの視覚システムが画像のコントラストの低い部分に適応し、最初は見えなかった微妙な部分が明らかになることがわかります」とレイノルズは説明します。

Heeger は、この形式の自動利得制御を仲介するのに役立つ皮質回路のシンプルだが強力なモデルを提案しました。 「私たちは、この回路が進化の過程で取り込まれ、脳が同じ回路を利用して感度を内因的に調整できるようになったと考えています」とレイノルズ氏は言う。 「入力強度の変化に応じて感度を調整するだけでなく、脳がタスクに関連する情報を強調し、タスクに無関係な混乱によって引き起こされる神経信号を抑制することも可能になります。」

視覚野のニューロンは、個々のニューロンが実際に「見る」か反応する視野の小さな部分である「受容野」を通して世界を見ます。 刺激が受容野に入るたびに、細胞は受容野の刺激に関する情報を伝える「活動電位」として知られる電気スパイクの一斉発生を生成します。

ただし、これらの信号の強度と忠実度は他の要因にも依存します。 科学者は一般に、ニューロンは、その受容野の刺激に注意が向けられると、より強く反応することに同意しています。 さらに、個々のニューロンの反応は、受容野のすぐ周囲で起こっていること、つまり文脈変調として知られる現象によって強く影響を受ける可能性があります。

「サラウンドにはニューロンの反応を抑制する能力がある」と、筆頭著者のクリスティ・サンドバーグ博士は説明する。彼はレイノルズの研究室の元大学院生で、現在はイェール大学の博士研究員である。 「大きくて均一で、特に面白くも有用でもないものがあると、私たちは常に反応できなくなります。これにより、受容野の周囲が、タスクに関係のない注意をそらす人の反応を抑制する方法を提供する可能性が高まりました。」

この真相を解明するために、サンドバーグは一連の実験を設定しました。そこでは、XNUMX つの刺激を受容野に置き、もう XNUMX つを周囲に置きました。 レイノルズとヒーガーの理論によって予測されたように、彼女は中心の刺激に注意を向けると、周囲の刺激の抑制効果からニューロンが免疫化されることを発見しました。 代わりに彼女が周囲の刺激に注意を向けると、中心部の課題に関係のない刺激に対するニューロンの反応が抑制されました。

「注意システムは、受容野の中心と周囲の組織を利用して、タスクに関連する情報を伝達するニューロンが環境内の気を散らすものによって抑制されないようにすると同時に、無関係な雑然としたものに反応するニューロンの反応を抑制します。」サンドバーグ。 「脳は、小麦をもみ殻から分離するために周囲の受容野を積極的に利用します。」

レイノルズの研究室の博士研究員であるジュード・F・ミッチェル博士もこの研究に貢献した。

カリフォルニア州ラホーヤにあるソーク生物学研究所は、生命科学における基礎的な発見、人間の健康の改善、将来世代の研究者の育成に専念する独立非営利団体です。 ジョナス・ソーク医師は、1955 年にポリオ ワクチンによって難病のポリオをほぼ根絶しましたが、サンディエゴ市からの土地の贈与とマーチ オブ ダイムズの資金援助を受けて 1965 年に研究所を設立しました。