繰り返し見たものは、なぜ見にくくなっても知覚できるのか? ~脳における情報表現の仕組みを明らかに~

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2021-11-27 生理学研究所

内容

我々は、繰り返し見たものであれば、多少ぼやけて見にくくなっても知覚することができます。それを可能にする脳の仕組みは明らかではありませんでした。今回、自然科学研究機構 生理学研究所(研究当時)(現 東京大学 大学院医学系研究科)の木村梨絵特任助教および自然科学研究機構 生理学研究所の吉村由美子教授は、同じ画像を繰り返し見る経験をすることによって、ぼやけて見にくい画像に強く応答する神経細胞が一次視覚野において増加していることを発見しました。さらに、この細胞が見にくい画像の視知覚に貢献していることを明らかにしました。本研究成果は、日本時間2021年11月27日(土曜日)午前4時に米国科学誌「Science Advances」にオンライン掲載されました。

薄暗い夕方や霧発生時には、視覚対象物のコントラスト(注1)が低下して見にくくなります。しかし、動物は同じ対象物を繰り返し見る経験をすることによって、その対象物が見にくくなっても知覚できるようになります(図1A)。これを可能にする脳の仕組みはよくわかっていませんでした。
本研究では、まずこの現象を再現するため、ラットに縦縞が出たらレバーを押し、横縞が出たらレバーを引くという、縞の向きを判別する課題を繰り返し経験させて学習させました。すると、学習後には縞のコントラストを下げて見にくくしても、ラットはその縞を判別することができました。そこで、このとき脳内でどのような変化が生じているのかを明らかにするために、課題遂行中に多点電極を用いて一次視覚野(注2)の神経活動を記録しました(図2A)。
これまでの研究から、一次視覚野の神経細胞は視覚対象物のコントラストが高く見やすい画像に強く応答して、コントラストが低く見にくい画像には弱く応答することが知られていました。実際、学習させていないラットでは、これまでの研究と同様に、高コントラストの画像に強く応答する細胞ばかりでした。ところが、同じ画像を繰り返し見る経験をして学習することによって、ラットの一次視覚野では、通常とは逆に、高コントラストで見やすい画像よりも、低コントラストで見にくい画像に強く応答する細胞(図2B)が増加していることを発見しました(図2C)。
次に、研究グループが今回見出した、低コントラストの画像に強く応答する細胞の機能を調べました。その結果、この細胞は、低コントラストの縦縞と横縞に対する応答の差が大きく、縦縞・横縞を区別していることが分かりました(図3A)。さらに、この細胞は、低コントラストの画像をラットが正しく判別できた時に強く活動しました(図3B)。この結果は、低コントラストの画像に強く応答する細胞が、繰り返し見る経験をした画像が見にくくなった時の視知覚に貢献することを示しています。
最後に、学習により創り出された、低コントラストの画像に対する強い応答がどのようなメカニズムにより生じるのかを調べるため、学習前後の神経活動の違いを詳しく調べました。すると、学習後の一次視覚野においては、いずれのコントラストに対しても興奮性が強まるものの、高コントラストの画像に対しては、同時に抑制も強まることが分かりました。このような興奮と抑制の働きによって、高コントラストでは細胞が興奮しすぎることはなく、低コントラストでは細胞が十分に活動することができ、強い応答が誘導されると示唆されます。
今回の研究で、同じ視覚対象物を繰り返し見る経験をすることによって、低コントラストの画像に強く応答する細胞が増えて、見にくくなった画像の情報表現に貢献することが分かりました(図1B)。この仕組みによって、経験した画像があいまいになっても知覚することができると考えられます。
木村特任助教は「繰り返し経験した画像のコントラストに応じて、脳の情報表現が変化して視知覚に貢献することを示した、世界で初めての研究になります。今回発見した脳の柔軟な情報表現をモデル化することで、より人間の視知覚に近い機能をコンピュータ上に再現することにも役立つと期待しています。」と話しています。

参考資料

<用語説明>
注1)コントラスト:対象物の明るさとその背景の明るさの対比のことで、視覚刺激の強度を特徴づける最も基本的なパラメーターである。
注2)一次視覚野:大脳皮質の中で最初に視覚情報を受け取る領野である。
<研究支援>
本研究は、科学研究費 新学術領域研究「脳情報動態」、「スクラップビルド」、「記憶ダイナミズム」、「オシロロジー」、科学研究費 基盤研究(B)、基盤研究(C)、若手研究(B)、科学技術振興機構(JST)創発的研究支援事業、公益財団法人 堀科学芸術振興財団 研究助成、公益財団法人 中部科学技術センター 学術奨励研究助成による支援を受けて行われました。

今回の発見

  1. ある画像を繰り返し見る経験をすることによって、通常とは逆に、その画像のコントラストが低い時に強く応答する神経細胞がラットの脳内で増加していることを発見しました。
  2. この神経細胞は、低コントラストで見にくい画像を正しく判別できた時に強く活動して、繰り返し経験した画像が見にくくなった時の視知覚に貢献することを発見しました。
  3. この神経細胞の視覚反応性は、繰り返し経験することによって興奮性が強まるだけでなく、高コントラストの画像を見た時には抑制が強まることによって生じると考えられました。
図1 繰り返し見たものは、なぜ見にくくなっても知覚できるのか?

繰り返し見たものはコントラストが低くなっても、低コントラストで強く応答する神経細胞が情報表現に貢献することで、知覚することができます。

図2 学習後には 低コントラストの画像で強く応答する細胞が増加している

20211127kimura-2.png学習後の課題遂行中には、高コントラストよりも、低コントラストの画像で強く応答する細胞が増加していました。学習前に受動的に画像を提示した場合には、低コントラストで強く応答する細胞はほとんど観察されませんでした。

図3 低コントラストで強く応答する細胞は 縦縞・横縞の判別に貢献する

20211127kimura-3.png低コントラストで強く応答する細胞は、低コントラストの縦縞と横縞を区別して情報表現しました。繰り返し経験した画像のコントラストが低くなって見にくくなっても正しく判別することができた時に、この細胞は強く活動しました。

この研究の社会的意義

外界の情報は常に変化していますが、我々の脳はその変化に柔軟に対応しており、そのおかげで我々は安定して物を見ることができます。今回の研究成果は、様々な強さの入力に応じる脳の柔軟な情報表現を新たに提唱するものです。このような情報表現を組み入れた神経回路モデルを構築することで、人間の持つ安定した視知覚をコンピュータ上に再現する“コンピュータビジョン”の研究などにも活用できると考えられます。

論文情報

The contribution of low contrast–preferring neurons to information representation in the primary visual cortex after learning.
Rie Kimura & Yumiko Yoshimura.
Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abj9976
日本時間2021年11月27日午前4時解禁

お問い合わせ先

<研究について>
自然科学研究機構 生理学研究所 視覚情報処理研究部門(研究当時)
特任助教 木村梨絵 (キムラ リエ)
(現 東京大学 大学院医学系研究科 統合生理学分野 特任助教)

<広報に関すること>
自然科学研究機構 生理学研究所 研究力強化戦略室

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