立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第30号) 2021

［ 研究助成 (A) ］

学習内容の定着に関わる脳活動の同定
Identification of neural activity associated with memory consolidation
2191022

研究代表者

東海大学

情報通信学部

講師中谷裕

教

情報はまず短期記憶に保持される。それゆえ，[研 究 の 目 的]

学習した内容を知識や技術として身に付けるたどんなことでも初めのうちは上手には行えない。しかし，学習を通して知識や技術を身に付めには，学習中に短期記憶に格納した情報を長期記憶に移行させる必要がある。

けることで素早く正確に対処できるようになる。

短期記憶に格納した情報を保持するためには

では，効率よく上手に行えるようになるためにリハーサルと呼ばれる認知的な処理が必要になはどのようにしたら良いのだろうか。私は効率る。リハーサルには 2 種類あり，それぞれ維持的な学習法と学習に関わる脳の仕組に興味をリハーサルと精緻化リハーサルと呼ばれている。

持って研究を行っている。

維持リハーサルは情報を一定時間頭の中で繰り人間と機械の調和の促進においても学習は重返すものである。リハーサル中は情報は短期記要である。人間と機械が調和するためには，人憶の中にとどまるが，長期記憶には移行しない間にとって扱いやすいように機械を設計する必のでリハーサルが終わると忘れてしまう。一方，要があるがそれだけでは不十分で，人間が機械精緻化リハーサルでは情報の意味や特徴を認識の扱いを学習する必要もある。

しながら頭の中で繰り返すものである。意味理

学習内容を知識や技術として身に付けるため解や特徴分析が必要なので認知的な負荷は高いには，学習内容を忘れることなく記憶に定着さが，情報が長期記憶に移行しやすいので学習しせる必要がある。そこで，学習内容を効果的にた内容は知識や技術として身に付きやすい。

記憶に定着させる実験課題を開発し，学習内容そこで，維持リハーサルと精緻化リハーサルの記憶への定着に関わる脳活動の解明を試みた。のそれぞれに対応した学習条件を作成し，学習内容の記憶への定着の度合いと脳波活動を学習条件間で比較した。

[研究の内容，成果］2．方法：実験課題

1．研究のアイデア
アトキンソンとシフリンの記憶の二重貯蔵モ

図 1 に示す視覚運動系列学習課題を用いて実デルによると，記憶のシステムは短期記憶と長験を行った。この課題では 3×3 の 9 個のマス期記憶から構成されている。短期記憶は数個程目の中に 1 から 5 までの数字が提示される。被度の情報を一時的に保持し，長期記憶は大量の

験者は手元にある 3×3 の 9 個のボタンを使い，情報を半永久的に保持する。また，外界からの左右を反転させた状態で 1 から 5 までのボタン― 1 ―立石科学技術振興財団

して学習するブロック学習条件，もう 1 つは複数のパターンをランダムな順番で学習するランダム学習条件である。
図1

ブロック学習条件では同じことを繰り返すだ

実験課題

けなので維持リハーサルで対応可能であるが，ランダム学習条件では各パターンの特徴を認識しないと学習を行えないため，精緻化リハーサルを行うことになる。

図2

視覚運動系列パターンの提示方法

4．方法：被験者を順に素早く押す。初めのうちは課題の遂行に18 歳から 26 歳までの 39 人 (男性：28 人，時間がかかるが，学習が進むに連れて素早く課女性：11 人) が被験者として実験に参加した。

題を遂行できるようになる。

当初はブロック学習条件に 20 人，ランダム学

学習実験では 4 つのパターンをそれぞれ 40習条件に 20 人を予定していたが，ランダム学試行ずつ行った。学習内容の記憶への定着を評習条件での成績の個人差が大きかったため，ラ価するために，学習実験から 25 分後に評価実

ンダム学習条件の被験者を成績に基づいて上位験を行った。評価実験では，学習実験で用いた群と下位群に分け，それぞれ 13 人から構成さ4 つのパターンに加え，新規のパターンを 4 つれるブロック学習条件，ランダム学習条件上位用いた。学習内容が記憶に定着していれば，学群，ランダム学習条件下位群の 3 つのグループ

習実験で用いた 4 つのパターンの遂行時間は新とした。

規のパターンよりも短くなるはずである。

なお，本研究は東海大学・倫理委員会の承認

図 2 に示すように，一回の試行は 3 秒間の固視点提示，2 秒間のパターン予告提示，運動系を受け，実験参加に関する同意を書面で得た上で実験を実施した。

列パターンの提示の 3 つの要素から構成されている。本実験で用いた課題は視覚運動系列学習

5．方法：脳波計測および脳波解析課題であるため，学習は視覚に関する認知的な国際 10/20 法に基づいて銀塩化銀電極を被験ものとボタン押しに関する運動的なものから構者の頭皮に装着し，Polymate Pro MP6100 (ミ成されている。運動系列パターン提示時は認知ユキ技研社製) を用いて標本化周波数 500 Hzと運動の両方の学習に関する脳波活動が観察さで脳波信号を計測した。

れ，またパターン予告提示時は認知に関する成測定した脳波信号に対して独立成分分析を適分のみが観察されることが期待される。そこで，

用して眼球運動や瞬きに伴ったアーチファクト

認知と運動のそれぞれの学習に関する脳波活動を除去した。その後，連続 wavelet 変換を適用を切り分けるために，運動系列パターンを提示して脳波信号を時間周波数領域上に展開し，学する前にパターンの予告を行った。

習課題遂行中の波形について時間方向での平均を求めて周波数領域上での振幅スペクトルを評

3．方法：学習条件

価した。

学習内容の長期記憶への定着度合いを実験的に操作するために，維持リハーサルと精緻化リ

6．結果：学習内容の記憶への定着度合い

ハーサルのそれぞれの特性に着目して学習条件

学習実験および評価実験での成績を図 3 に示を 2 つ設定した。1 つは同一のパターンを連続す。赤で示す「学習実験：最後の 5 試行」は学― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

7．結果：学習内容の記憶への定着に関与した
脳波活動
学習時の脳波振幅スペクトルを図 4 に示す。
ブロック学習条件では頭頂葉にアルファ波 (10Hz)，ランダム学習条件では成績の上位群と下位群ともに前頭葉にシータ波 (6 Hz) が特徴的に観察された。図 3 に示す課題遂行時間の結果からランダム学習条件時に学習内容が記憶に定着すると判断できるので，ランダム学習条件
時に観察された前頭葉のシータ波が学習内容の図3

課題遂行時間記憶への定着に関与していると考えられる。

習実験で行った各パターン 40 試行のうちの最後の 5 試行の課題遂行時間である。なお，学習パターンは 4 つあるので，その平均値を示している。緑で示す「評価実験：学習実験に用いたパターン」は学習実験で用いた 4 つのパターンについての評価実験での課題遂行時間である。
青で示す「評価実験：新規のパターン」は学習実験では用いなかった 4 つのパターンについての評価実験での課題遂行時間である。
ブロック学習条件では学習実験の最後の 5 試
行は 1 秒程度で課題を遂行できているにもかかわらず，25 分後に行った評価実験では 3 秒程度の時間を要しており，学習内容は記憶に定着していないことが分かる。
一方，ランダム学習条件の上位群ではブロック学習条件と同様に学習実験の最後の 5 試行は図41 秒程度で課題を遂行できている。評価実験に学習時の脳波振幅スペクトル

おいても学習実験で用いたパターンは 1 秒程度で遂行できており，3 秒程度要する新規のパ8．結果：学習時の前頭葉シータ波ターンより速いので，学習内容は記憶に定着していると判断できる。

学習内容の記憶への定着に関わる前頭葉のシータ波の振幅が学習にともなってどのようにまたランダム学習条件の下位群では学習実験変化するのかを調べたところ図 5 の結果を得た。の最後の 5 試行は 2 秒程度と時間がかかってお赤は固定視点が提示されている時の，青はパり，学習はまだ完了していない。しかし，評価ターンが提示されて学習を行っている時の振幅

実験でも学習実験で用いたパターンを同様に 2である。1 つのパターンにつき 40 試行の学習秒程度で遂行していることから，学習内容は記を行なっており，5 試行ずつの結果を表示して憶に定着していると考えられる。

いる。なお，学習には 4 つのパターンを用いたので，この結果は 4 つのパターンの平均値である。また，紫色の * は固視点提示時と学習時の― 3 ―立石科学技術振興財団

図6

学習の成績と前頭葉シータ波の関係

シータ波の振幅を 5 試行ごとに表示したものである。また，紫色の * は固視点提示時とパターン予告時のシータ波の振幅値に統計的に有意な差異 (p<0.05，対応のある t 検定) があることを示している。
成績上位群では学習の比較的早い段階からパ
図5

学習時の前頭葉シータ波の時間発展

ターンの予告に対してシータ波の振幅が増加するのに対し，下位群では学習の後半になってよシータ波の振幅値に統計的に有意な差異 (p<うやく増加した。このことから，パターン予告0.05，対応のある t 検定) があることを示しての情報に反応できるかどうかが学習の成績を決いる。

める要因の一つになっていると考えられる。

図 5 より，ブロック学習条件では学習時のシータ波に振幅の増大はみられないが，ランダ

10．結果のまとめ

ム学習条件においては学習成績の上位群と下位

これまでに示した結果から，前頭葉のシータ群ともに学習の初期段階から振幅が増大してい波は学習内容の記憶への定着と学習の成績の両ることが分かる。

方に関係していると結論づけられる。そのため，学習を効率的に行うためには前頭葉のシータ波が重要な鍵を握っていると考えられる。

9．結果：学習の成績と前頭葉シータ波
ランダム学習条件での学習の成績は個人差が大きいため，成績の個人差と前頭葉シータ波の[今後の研究の方向，課題］関係についても調べた。結果を図 6 に示す。
赤は固視点提示時，緑はパターン予告時の― 4 ―今後の研究の方向と課題は大きく分けて 2 つTateisi Science and Technology Foundationある。1 つは学習に関わる脳の仕組みの解明で行って検証していきたい。

ある。本研究で観察したシータ波は海馬での記

もう 1 つは教育の現場への応用である。本研

憶処理に関与していることが知られている。海究で得られた知見に基づいて授業の組み立て方

馬は個人が経験した出来事に関する陳述記憶にや教材を工夫して，教育効果を高める取り組みおいて主要な役割を担っている。一方，本研究を行っていきたい。また機械やコンピュータので扱ったボタン押しに関する運動学習は言葉で操作の学習にも応用することで，人間と機械のは表現しにくい非陳述記憶に関するもので，小調和の促進にも貢献していきたいと考えている。

脳での記憶処理が関与しているはずである。視覚運動系列学習課題における認知的な部分の学[成果の発表，論文等］

習には海馬が，運動的な部分の学習には小脳が[ 1 ] 中谷裕教，“視覚運動系列学習課題におけるシー担当し，海馬と小脳が連携して学習内容の記憶タ波帯域脳波活動の記憶定着への寄与”，電気学会への定着に関与している可能性がある。今後はC 部門大会 マグネティックス & 医用・生体工学合MRI 装置を用いた脳機能イメージング実験を― 5 ―同研究会 (2021 年 3 月 16 日 オンライン開催)