川崎医療福祉学会誌
原Vol. 33

No. 22024

215 － 224著

ワーキングメモリ課題における入出力モダリティの違いが前頭葉活動に及ぼす影響
山口芙月＊1 彦坂和雄＊2 細川貴之＊2

要約

言語聴覚療法の臨床場面では，Working Memory（WM）を測定するために数唱課題が広く使用されているが，聴覚入力―音声出力で実施する検査であるため，失語症や構音障害，聴覚障害をもつ人には使用しにくい．また，数唱課題を用いた脳機能イメージングは以前より研究されていたが，入力と出力のモダリティの影響についてはあまり研究されていない．今回，WM 課題における入出力モダリティの違いが脳活動に及ぼす影響を明らかにすることを目的とし，健常大学生19名を対象に，数唱課題を行っているときの脳活動を functional near-infrared spectroscopy（fNIRS）で記録した．刺激は，ランダムな数字列を使用し，入力2種類（聴覚と視覚），出力2種類（音声とタッチ）とし，順唱と逆唱を行った．その結果，ほとんどのチャネルにて出力モダリティおよび順唱 / 逆唱の違いで脳活動に差が認められた．各条件での脳血流の時間的変化を比較したところ，順唱では出力モダリティの違いによって異なる時系列パターンを示したが，逆唱ではそのような傾向は見られず，出力モダリティに関係なく同じような波形を示した．一方で，前頭葉内で WM の入出力モダリティの違いによる機能局在は観察されず，前頭葉内で異なる WM が混在している可能性が示唆された．
１．緒言

現在の言語聴覚療法の臨床現場では，注意機能やWorking Memory（以下，WM）とは，作業に必WM を簡便に調べるために，数唱課題などの行動要な情報を一時的に保存し処理するための記憶であ

課題が広く使用されている3-6）．数唱課題とはランダり，行動のプランを考えることや，その実行にかかムな数字列を記憶する課題である．呈示されたのとわる記憶をさす1）．たとえば料理をする際，今行っ同じ順番で復唱し答える順唱と，逆の順番で答えるている作業をしながら，次の工程で必要となる作業逆唱の2種類がある．しかし，失語症や構音障害のを考えるためには WM が必要となる．WM の一般患者は話すことが難しかったり，聴覚障害の患者は2）的なモデルとして，Baddeley によるものがある．

声を聴くことが難しいため，これらの検査は使用しそのモデルによると，WM は中央実行系と3つのサにくい．そのため，それぞれの患者の病態に合わせブシステム（音韻ループと視空間スケッチパッド，た，多様なＷＭ検査が必要とされている．しかし，エピソードバッファ）から構成されている．
音韻ルー

WM 検査で使用される課題は，健常者を対象としプは言語性の WM，視空間スケッチパッドは視覚たものが多く，健常者以外の被験者で WM にどの性の WM と対応している．一方で，エピソードバッような影響があるかは明らかでないことが多い．さファは，音韻ループと視空間スケッチパッドを調整らに，そのようなＷＭ課題の入力方法や出力方法をし，知識に関わる長期記憶などをほかのサブシステ変化させた場合，脳の反応特性（機能局在など）がムと接続する働きを担うと想定されている．これらどうなるかについても不明である．
これまでの WM に関係する脳活動は，多くの脳3つのサブシステムは，中央実行系にて制御されて機能イメージング研究で調べられてきた．たとえいる．
＊1 川崎医療福祉大学大学院

医療技術研究科 感覚矯正学専攻
リハビリテーション学部 視能療法学科（連絡先）細川貴之 〒701-0193 倉敷市松島288 川崎医療福祉大学
E-mail : t-hosokawa@mw.kawasaki-m.ac.jp＊2 川崎医療福祉大学

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山口芙月・彦坂和雄・細川貴之

ば，二重課題時に中前頭回（Broadman Area（BA）

２．方法

46/9野）や腹外側領域（BA44，45，47などの下前頭回）

２．１

被験者などの前頭前野背外側部（dorsolateral prefrontal

脳血管疾患や精神疾患および視聴覚障害がない男

cortex：DLPFC）が活性化することが知られてい女19名（男性8名，女性11名，平均年齢21.3歳）に7）る ．しかし，研究によって活性化する脳部位に違実施した．利き手は，右利き18名（うち1名は矯正いもみられており，その理由として，課題の難易度歴あり），左利き1名であった．本研究の内容についや刺激モダリティの違いが考えられる．て十分な説明を行った後，同意が得られた者を研究

Rottschy et al.8）は，WM 課題において，どの脳の対象とした．また実験中，なるべく体動が少なく領域がどのように活動するかを189の研究例で，大なるよう，椅子に深く腰掛けてもらった．

規模なメタ分析を行った．その結果，BA44/45，島２．２

測定装置

皮質前方，上前頭回後方，下前頭回，前補足運動野，

脳 血 流 の 測 定 に は，Spectratech 社 の fNIRS

頭頂間溝，上頭頂小葉で一貫して両側性の活動が見（Spectratech OEG-17APD）を使用した．
Spectratech

られた．課題の難易度が高くなると，前補足運動野

OEG-17APD は，6つの赤外光の照射プローブと6つや BA44/45，腹側前運動野，前頭前皮質を含む下の赤外光の受光プローブがあり，縦横3×4の構成と前頭回領域に高い活動が見られるようになった．さなっており，全部で17チャネルの測定が可能であっらに，覚える対象が言語性の刺激である場合は左側た（図1A）．サンプリング周波数は12.2Hz であっBA44/45で高い活性化がみられるのに対し，非言語た．プローブ間の距離は30mm で，前額部に，国際性の刺激である場合では左側前補足運動野と両側背法10-20法に従って，一番下の列の中央が Fpz に対側前運動野がより強い活性化が見られた．また，ほ応するように配置した．

かの研究では，前頭前野と頭頂葉皮質，小脳と基底２．３核を含む様々なネットワークが活動するという報告

２．３．１

行動課題
事前課題がある ．このように WM にかかわる課題であっまず，利き手の確認を行った．次に，本課題で使ても，実験条件が異なると脳活動も異なることが分用する桁数を決定するために，被験者毎に標準注意かっている．

検査法（Clinical Assessment for Attention 以下，9）

本研究では，WM 課題における入出力モダリティ

CAT）の Digit Span の backward を実施した．ラの違いが脳活動に及ぼす影響を調べるため，数唱課

ンダムな数字列を呈示し，その逆の順番で答えて題を刺激の呈示（入力）方法を聴覚と視覚の2種類，もらった．2桁より開始し1つずつ桁数を増やし，各反応の表出（出力）方法を音声とタッチの2種類を桁数で2つとも正答した桁数を被験者の WM 容量と組み合わせて実施した．さらに被験者が W Ｍ課題し，本課題にて使用した．

を遂行中に，機能的近赤外分光法（functional near-２．３．２

本課題（数唱課題）

infrared spectroscopy 以下，fNIRS）を用いて前頭

数唱課題では，事前に決定した桁数の数字が順番

葉の脳血流を測定した．fNIRS は近赤外光が皮膚やに呈示され，被験者にそれを覚えてもらった（図骨などの組織を透過し，血中のヘモグロビンに吸1B）．すべての数字が呈示されたあと，被験者は呈収されるという特性を利用することで，神経活動に示されたのと同じ順番（順唱）もしくは呈示された伴って変化する酸素化ヘモグロビン（oxygenatedのと逆の順番（逆唱）でその数字を表出することがhemoglobin 以下，oxy-Hb），脱酸素化ヘモグロビ求められた．呈示（入力）方法は聴覚と視覚の2種類，ン（deoxygenated hemoglobin 以 下，deoxy-Hb）

表出（出力）方法は音声とタッチの2種類とした．の濃度変化を定量化する手法である．これらの経時さらにそれぞれの入力―出力の組み合わせで，順唱的な変化は，脳局所の神経細胞活動の結果，脳血流と逆唱を実施した．つまり，入力（2種類）×出力（2が増減することに起因すると考えられている ．ま種類）×順唱・逆唱（2種類）の合計8条件を用意した．

た fNIRS は，他の脳機能イメージング手法に比べ実験課題は PsychoPy で作成したプログラムをノーて測定が簡便で，測定場所や測定時の被験者の動きトパソコン（HP Pavilion 15-eg2029TU）で動かすに制約が少ないといった利点があり，日々の臨床場ことで実施した．数字は1秒間隔で呈示され，視覚面でリハビリの効果を客観的に評価する指標となり呈示条件では画面中央に数字が1つずつ呈示された．

やすい．この研究により，WM 課題の入出力モダ

音声呈示条件では，スピーカーから事前に録音したリティの違いが脳活動にどのような影響を及ぼすか音声が呈示された．また音声出力条件では，刺激呈を明らかにすることを目的とした．

示後，被験者には声で数字を答えてもらった．タッ10）

チ出力条件では，画面に表示された9つの数字を順ワーキングメモリ課題時の前頭葉活動217

図１ NIRS プローブの配置と実験の流れ
A：
fNIRS プローブの配置．赤丸は照射プローブ，青丸は検出プローブ，番号は各チャネルに対応する
B：実験の流れと各条件でのディスプレイ表示
ITI：inter-trial interval
番にタッチすることで答えてもらった．被験者の反刺激呈示から反応終了後7秒までを解析区間とし応（音声およびタッチ）は課題プログラムを動かした．一般的に，脳血流はイベントに対して反応が遅ているパソコンで記録した（音声は声の録音，タッ

く11,12），本研究においても反応終了後7秒付近までチは反応した数字の記録を行った）．条件ごとに10脳血流の反応が残っていることが観察されたため，試行繰り返した．

反応終了後7秒までを解析区間とした．fNIRS から

まず，課題を実施する前に練習を行い，呈示され得られた各チャネルの oxy-Hb および deoxy-Hb のる刺激や出力の方法を確認してもらった．課題条件

データは，0.01-0.3 Hz のバンドパスフィルターでデは，「聴覚入力―音声出力」「視覚入力―音声出力」

ジタル処理した．その後，Yamada et al.13）によっ「視覚入力―タッチ出力」「聴覚入力―タッチ出力」て提唱された血流動態信号分離法によってデータをの順で，それぞれ順唱と逆唱を行い，10試行の数唱変換した．

課題を行った．試行間（inter-trial interval；ITI）①入力モダリティ（聴覚と視覚），②出力モダリには10秒間の待ち時間を設けた．各実験課題の合間

ティ（音声とタッチ），③順唱 / 逆唱の3要因の分散には，被験者の疲労感に応じて休憩をとった．

分析を各チャネルのデータで行った．また脳活動の２．
４

時系列パターンの類似性を定量化するため，各条件統計解析

被験者が数唱課題を遂行中の脳血流反応を解析した．毎試行，刺激呈示3秒前をベースラインとし，間で時系列データの相関係数（ピアソン相関係数）を計算した．

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３．結果

いるのに対し，タッチ出力では，刺激呈示後，ゆる19名の被験者のうち，事前課題で決定した桁数は，やかに上昇し，明確なピークが見られないチャネル3桁が2名，4桁が13名，5桁が4名であった．まず，が多かった．それに対し逆唱では，音声出力では順入出力モダリティが前頭葉に与える影響について調唱と同様に刺激呈示後8秒付近でピークが見られた．

べるために，8つの課題を各チャネルごとに分散分

しかし，タッチ出力では，順唱と異なり，多くのチャ析を行った（図2，表1）．①入力モダリティ（聴覚ネルで刺激呈示後8秒付近にてピークが観察された．と視覚），②出力モダリティ（音声とタッチ），③順

そこで，得られた波形のパターンがどの程度類似し唱 / 逆唱，の3つを要因とした．入力モダリティのているかを調べるために，異なる課題条件間で時系要因では，どのチャネルにおいても有意差は認めら列パターンを比較した．比較する2つの条件間で，れなかった．出力モダリティの要因では，チャネル対応する各時点のデータをペアにし，それらのデー1，4，7，10，16以外で主効果が認められた．全体

タから相関係数を計算した．2つの条件における脳的に音声出力に比べてタッチ出力で高い活動が見ら活動が似たような時間的変化をした場合，相関が高れた．順唱 / 逆唱の要因では，チャネル13以外で主くなると考えられる（図4，表2）．順唱における相効果が認められた．全般的に順唱に比べて逆唱で，関係数は，聴覚入力―音声出力と聴覚入力―タッチ高い活動が見られた．交互作用はどの要因の組み合出力が0.46，聴覚入力―音声出力と視覚入力―音声わせでも認められなかった．

出力が0.88，聴覚入力―音声出力と視覚入力―タッ

次に図3に，各チャネルの脳血流の時間的変化をチ出力が0.80，聴覚入力―タッチ出力と視覚入力―示した．順唱では，出力（音声とタッチ）の違いに音声出力が0.58，聴覚入力―タッチ出力と視覚入力

よって，異なる波形の時系列パターンが観察された．

―タッチ出力が0.74，視覚入力―音声出力と視覚入

音声出力では，刺激呈示後から緩やかに上昇し，刺力―タッチ出力が0.78であった．一方に「聴覚入力激呈示後8秒付近でピークを迎えそこから下降して―タッチ出力」条件がある時に相関係数が低くなる

図２ 入出力モダリティが前頭葉に与える影響
縦軸 標準化された脳活動（Z-score，平均±標準誤差）
横軸 1：聴覚入力―音声出力―逆唱，2：聴覚入力―音声出力―順唱，3：聴覚入力―タッチ出力―逆唱，4：聴覚入力―タッチ出力―順唱，5：視覚入力―音声出力―逆唱，6：視覚入力―音声出力―順唱，7：視覚入力―タッチ出力―逆唱，8：視覚入力―タッチ出力―順唱ワーキングメモリ課題時の前頭葉活動
表１

有意差のあったチャネルにおける分散分析の結果有意差が見られたチャネルの主効果のみ記載している．また F 値の自由度はいずれも（1,1513）であった．
A：出力モダリティ（音声とタッチ）の主効果
B：順唱 / 逆唱の主効果

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図３ 脳血流の時系列データ
A：順唱での脳活動 B：逆唱での脳活動
縦軸 標準化された脳活動（Z-score）
赤線は聴覚入力―音声出力，緑線は聴覚入力―タッチ出力，青線は視覚入力―音声出力，黄線は視覚入力―タッチ出力を表す．
横軸 刺激呈示からの時間

ワーキングメモリ課題時の前頭葉活動

図４221

条件間での脳活動の相関係数（全17チャネルの平均）
A：順唱 B：逆唱傾向にあった．そのほかの組み合わせでは高い相関

タッチ出力は視空間スケッチパッドに関与する活を示したが，その中でも2つの条件が音声出力の場動を反映しているのかもしれない．一方，逆唱で合に，より高い相関を示した．逆唱における相関係は，いずれの条件でも刺激呈示後8秒付近に脳血流数は，聴覚入力―音声出力と聴覚入力―タッチ出のピークが見られるようになり，結果として，出力力が0.82，聴覚入力―音声出力と視覚入力―音声出のモダリティに関わらず同じような時系列パターン力が0.94，聴覚入力―音声出力と視覚入力―タッチが観察された．このように順唱では出力条件の違い出力が0.85，聴覚入力―タッチ出力と視覚入力―音（音声出力，タッチ出力）によって異なる脳活動が声出力が0.73，聴覚入力―タッチ出力と視覚入力―見られたのに対し，逆唱ではそのような違いが見ら

タッチ出力が0.92，視覚入力―音声出力と視覚入力れなくなった．この理由として，逆唱は難易度が高―タッチ出力が0.77であった．逆唱では順唱とは違い課題であり，モダリティに関係なく働いている中い，どの条件においても高い相関を示した．

央実行系に負荷がかかった結果，前頭前野が似た反応をするようになったのではないかと推測される．

４．考察

Rottschy et al.8）や Emch et al.9）は，難易度の増大に今回，異なる入力・出力方法モダリティを用い伴って前頭前野が両側性に広く活性化すると述べてた WM 課題を遂行している時の前頭葉の活動を調いる．また，Barbey et al.14）は，右側の前頭前背外べた．その結果，出力の違い（音声とタッチ）に側は，簡単な WM の保持・モニタリング・認知負

よって，前頭葉の時系列的パターンに違いが見られ荷下ではあまり重要でなく，難易度が高くなると広た．順唱では，音声出力条件（聴覚入力―音声出力く活性化すると述べている．杉谷ら15） は三宅式記および視覚入力―音声出力）では脳血流のピークが銘力検査において，同一の課題や難度の低い課題を刺激呈示後8秒付近に出現するチャネルが多かった行うことによって脳血流の減少を認めたと述べていのに対して，タッチ出力条件（聴覚入力―タッチ出る．また別の解釈として，逆唱では提示された数字

力および視覚入力―タッチ出力）ではピークが見らを一度，頭のなかで逆の順番に入れ替える必要があれないチャネルが多かった．2種類の時系列の異なり，その際，頭の中でのリハーサル，すなわち，内る WM 活動について，音声出力は音韻ループを，言語を使用するために，タッチ出力条件であっても

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表２

A：順唱

B：逆唱

各チャネルにおける条件間の相関係数

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脳活動が音声出力条件の活動に近くなったのではな

想定されているが，前頭葉はどの段階で，どのよういかと考えることもできる．

な働きをしているのだろうか．動物実験では，WM一方で，入出力モダリティの違いによって，前頭の保持をしているときに前頭葉の神経細胞が活性化

葉内にはっきりとした部位特異的な反応は見られなすると報告されている17）．ヒトの前頭葉損傷例では，かった．また，明からな前頭葉機能の左右差は認め

一般的に情報の処理と保持を要する2重課題が困難られなかったことから，言語性 WM 課題であってになりやすい18）．さらに今回の研究では，出力の種も左前頭葉が優位であるわけではないことが示唆さ類によって異なる時系列パターンが観察された．これた．このような結果となった理由として，被験者

れらのことから，WM の入力―保持―出力の各段ごとに覚える方略（言語的イメージすなわち，音声階のうち，前頭葉は特に保持および出力の変換に関リハーサルなどや視覚的イメージすなわち位置で覚わっているのではないかと考えられる．

える，数字の羅列など）が異なっているため，明確

本研究の結果にはいくつかの点で限界がある．まな左右差が出なかった可能性が考えられる．また，ず fNIRS のデータには脳血流のほかに皮下血流なすべての条件で同じ桁数を使用したが，課題条件にども含まれるが，本研究では WM を必要としない

よって難易度が違っていた可能性も考えられる．一コントロール課題を用いておらず，発声や指の運動16）

方，南と乾 は，形態情報 WM と位置情報 WM に動作を反映した血流変化を除外することができてい関係するニューロンは，前頭前野のあらゆる場所でない．さらに本研究では，前頭葉の活動のみを測定見つかり，領域特異性がないと述べている．このこしたが，WM は脳全体の神経ネットワークが働くとから，前頭葉の中でモダリティの異なる WM が機能であるため，モダリティの違いによる脳活動へ混在している可能性も十分に考えられる．の影響を調べるためには fMRI などによる脳全体のWM モデルでは入力―保持―出力のプロセスが測定をする必要があると考える．

倫理的配慮
本研究は，当学の倫理委員会にて承認され（承認番号：22-021），本研究参加者には，研究目的，方法，自由意思に基づく参加で拒否による不利益はないこと，及び，個人情報保護について，文書と口頭にて説明を行い，書面にて同意を得ました．また，発表に際しての利益相反はありません．
謝辞

データ測定に当たり快くご協力をいただいた皆様に感謝をいたします．誠にありがとうございました．
文献1）Osaka M, Komori M, Morishita M and Osaka N：Neural bases of focusing attention in working memory: AnfMRI study based on group differences. Cognitive, Affective, & Behavioral Neuroscience ，7（2），130-139，2007．
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3）St Clair-Thompson HL and Allen RJ：Are forward and backward recall the same? A dual-task study of digit
recall. Memory and Cognition ，41（4），519-532，2013．
4）前澤聡，二村美也子，藤井正純，松井泰行，若林俊彦：fMRI を用いた作業記憶の局在評価―数唱課題の有用性―．
高次脳機能研究，34（2），226-233，2014．
5）石島恵太郎，高橋知音：順唱と逆唱に関わる認知機能．日本教育心理学会第57回総会発表論文集，484，2015．
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7）D’
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8）Rottschy C, Langner R, Dogan I, Reetz K, Laird AR, Schulz JB, Fox PT and Eickhoff SB：Modelling neuralcorrelates of working memory: A coordinate-based meta-analysis. NeuroImage ，60，830-846，2012．
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山口芙月・彦坂和雄・細川貴之
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12）山 下豊：時間分解スペクトロスコピーの測定原理．酒谷薫監修，岡田英史，星詳子，宮井一郎，渡辺英寿編，
NIRS―基礎と臨床―，新興医学出版，東京，19-22，2012．
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（2023年11月2日受理）

Effects of Different Input/Output Modalities on Frontal Lobe Activity
in Working Memory Tasks
Fuzuki YAMAGUCHI, Kazuo HIKOSAKA and Takayuki HOSOKAWA（Accepted Nov. 2，2023）
Key words : working memory，frontal lobe，
fNIRS，
functional localization，input/output modalities
Abstract
In clinical speech-language therapy, the digit-span task is widely used to measure Working Memory (WM).
However, it is less applicable for individuals with aphasia, articulation disorders, or hearing impairments, because
the task is conducted with auditory input and speech output. Additionally, functional brain imaging using the digitspan task has been studied previously, but there has been limited research on the effects of different input andoutput modalities. This study aimed to elucidate the impact of input-output modality differences on brain activity
in WM tasks. Nineteen healthy university students participated, and they performed the digit-span task underfunctional near-infrared spectroscopy (fNIRS). Stimuli consisted of randomized sequences of numbers, with two input
types (auditory and visual) and two output types (verbal and tactile), involving both forward and backward recall.
The results revealed significant variations in brain activity due to differences in the output modality and forward/
backward recall conditions across most channels. When comparing the temporal changes in cerebral blood flow foreach condition, we found differential time-series patterns according to the output modality differences in the forward
recall condition, whereas we found similar time-series patterns regardless of the output modality in the backward
recall condition. On the other hand, no functional localization based on input-output modality differences in theprefrontal cortex was observed. This suggests the potential coexistence of different WM processes within the frontal
lobe.
Correspondence to : Takayuki HOSOKAWA

Department of Orthoptics
Faculty of Rehabilitation
Kawasaki University of Medical Welfare
288 Matsushima，Kurashiki，701-0193，Japan
E-mail ：t-hosokawa@mw.kawasaki-m.ac.jp（Kawasaki Medical Welfare Journal Vol.33，No.2，2024 215－224）