Transcript 音楽・情報・脳
放送大学学習ノート 音楽・情報・脳 音楽は人類にとって普遍性の高い行動領域 ＝脳の聴覚系・報酬系神経ネットワークを活性化 ＝美しさ・安らぎ・感動をもたらす ➔音楽の対象は、文化系統を異にする多様な音楽を対象 ➔音楽の情報構造を分析 ⇐音響学・情報科学の手法 ＋脳科学(生理学・心理学的・認知科学的手法の導入) １．音楽と情報学、音楽と脳科学 情報学・脳科学の進展で「音楽とは何か」に科学的に考察 １）情報現象、生命現象としての音楽 情報学 音楽と生命現象 脳科学 声・楽器を使って創り出された刺激 脳 ・視覚情報 ・触覚情報 感性情報 ・味覚情報 報酬系の神経回路を活性化 ・嗅覚情報 美しさ・快さ⇐感応反応➔歓び等 音楽というプラットホーム 日本の音楽教育➔西欧音楽＝クラシック音楽 偏向的傾向の修正 伝統的音楽・民族音楽・ポピュラーミュージック等 見直し ワールド・ミュージックの広がり 地球音楽の全体を、人類史的な広がりと 時間尺度の中で生命現象として検討する 西欧音楽も個性的音楽の一つとしてとらえる ２）音楽・情報・脳を架橋する試み 音楽・情報・脳 「総合化・融合化」or「連携化」脳科学的手法の持つ 音楽に情報学的にアプロー チする方法論的独自性 潜在活性の利用 研究進展の壁 医療用計測環境での限界 現状の高度専門分化 PET・ｆMRIなど計測環境のマ された学術体制➔限定的 イナス要因 単機能専門分化の弊害 ＋ 脳科学の研究では、研究者自身の脳の持つ感性的情報 に対する「自己言及性」からの完全解放➔原理的困難 理想的には、非限定非分化全方位型活性＝分野加算型ではない ２．聴く脳・見る脳の仕組み 脳機能＝脳神経系の構造と機能の基本 「音を聞く」「物を見る」(聴覚・視覚の感覚情報処理について) １．脳神経系の構造と機能 1-1脳の基本単位＝神経細胞 現存する地球生命 生存維持の 環境情報の伝達・処理 ＝生体制御システムを保有 樹状突起 神経細胞の基本的な機能 細胞体 入力刺激➔神経細胞 軸索 活動電位を発生 神経細胞は主に3つの構造に分れ、細胞核のある細 胞体、他の細胞からの入力を受ける樹状突起、他の 細胞に出力する軸索に分けられる。 核 軸索末端 神経細胞 多細胞生物が細胞間で情報伝達を行う場合 情報伝達のメッセージャー ＝ホルモンなど専用の化学物質＝シグナル分子 ＝生体情報のパルスを長い距離送信するために特殊化 軸索と樹状突起との間で情報のやり取り行っている部分 伝送される情報が 軸索の中を活動電 位というパルスが 送られる。 シナプス 軸索で伝達情 核 報を受信する アンテナの役 樹状突起 脳における情報と物質の「等価性」 シナプスにおける電気活動 化学反応 鍵 過去の反応の履歴 同時入力の情報の状態 電気活動という変換の過程 鍵穴 共存する化学物質の濃度 記憶や学習のメカニズム 神経伝達物質と受容体とは 鍵と鍵穴の関係に似ている 信号の伝達効率の変化 麻薬 神経伝達物質は同じ物質でなくても 結合部分の三次元構造が近似していれば 作用する 精神変容物質 １－２ 脳の構造と機能① 人間等脊椎動物の脳 神経細胞を高度に複雑にネットワークを構築 情報処理に特化➔約1000億個以上の神経細胞 脳は緩衝材の「髄液」に浸り、大脳、小脳、 脳幹の三つに分かれる。人間の脳で一番 最大体積＝大脳(左右二つの半球で構成) 大脳皮質：最外層３～５mm程度の層構造 をなす。 脳の構造と機能② 灰白質：「大脳皮質」の深部、信号伝送を 担う。(大脳髄質or白質)大脳表面の隆起部 分を「脳回」という。 白質の深部：大脳基底核・大脳辺縁系など の神経細胞が集合する部位。情動、動機 溝が「脳溝」で、皺構造が発達することで、 大脳皮質の表面積が確保される。表面積 ＝2500㎠： 表面部分で特定の異なる機能を担ってい る➔「脳機能局在」と呼ぶ。 脳の構造と機能③ 小脳：体積は小さいが、神経細 胞の数は大脳より多い。 身体のバランスを保ち、滑らか な動きを実現。運動のフィード バック制御・学習に役割。 広く認知機能・情動の制御にも不可欠。 脳幹：脳の中央深部に位置。脳神経の 末梢と中枢を結ぶ情報の中継だけでは ない。自律神経・内分泌系のホメオスタ シスを維持。免疫系・情動・欲望を生み 出す。神経核と呼ばれる細胞が集中。 １－３ 脳機能の階層性 脳の性質 対応す るPCの 装置 情報書 き込み 情報 保持 作用 機能の個別性 リライタブル 脳 ハード ディス ク・RAM 後天的 可変 心理的 個人別 ライトワンス 脳 CD-R 後天的 固定 文化的 社会集団ごとに 固有 同一社会内で共 通 プリセット脳 CPU 先天的 固定 生理的 人類共通 (一部は他の動 物とも) 大脳皮質 大脳辺縁系 脳幹 小脳 脳の構造と機能➔情報の変化に応じて 可塑性 プリセット脳➔ライトワンス脳➔リライタブル脳 １．第一階層の脳機能：脳幹 生来のプログラムが固定化＝基本的に不可逆 「PC」のCPUに相当＝普遍的で異種間で共通性 ２．第二階層の脳機能：大脳辺縁系・大脳基底核 生後取得で不可逆的安定・保持して発現する脳機能 「PC」のCD-R⇛個別性：人間の言語・文化・社会習慣 主全体として多様性 ３．第三階層のの機能：大脳皮質 個人の経験と可逆性に依存、個別性 音楽等社会的・文化的背景に視聴覚的情報を介して人 間の感性に影響 ２．人間の脳機能を調べる 生体イメージング技術で非侵襲的に観察 １．非侵襲脳機能イメージング(脳機能イメージング) 高い時間分解能を持つ 1-1神経細胞の電気活動を観察 神経細胞のシナプス後電位の総和「脳波(EEG)」、 神経細胞内電流の磁場を計測する「脳波(MEG)」 1-2神経活動に伴う脳血流・エネルギー代謝の変化観察 ＝ポジトロン断層撮影法(PET) 空間解像度が優れるが、 時間分解能が劣る 脳血流と酸素代謝の変化を捉える 単独で万能のもの ＝機能的磁気共鳴像法(ｆMRI) はない。組み合わ 血液のヘモクロビンの濃度変化を捉える せによる総合的ア ＝近赤外線スペクトロスコピー（NIRS） プローチ 人間の脳機能 機能的、構造的な変化 “可塑性" シナプスでの 伝達効率の 変化により シナプス結合の 数や形態の 個別性 変化により １．脳の構造と機能＝発生・発達時➔可塑性。 ２．老化・障害＝神経の機能単位消失➔補填・回復の場合。 ３．記憶・学習等＝高次神経機能の基盤➔シナプスの可塑性(synaptic plasticity) ２－１ 脳の電気活動を捉える 頭皮上に二つの電極を置き、 その間の電位差の変動を増幅器で記録 双極導出と呼ぶ 「脳波」or「脳電図」 大脳皮質にある多数の神経細胞の樹状突起 で発生するシナプス後電位の総和を反映 × 活動電位を記録したものではない 電流双極子 興奮性のシナプス後電位 樹状突起の先端刺激 大脳皮質の表面 樹状突起の深部刺激 陰性電位 マイナス極性 記録 陽性電位 プラス極性 頭皮上電極 ◦21個の電極を国際10-20法に従って配置する ことが多い。しかし研究目的などではもっと多数 （60個など）の電極を配置したり、モニタリング目 的などでは逆に数個のみの電極を使用したりする。 ◦電極は円盤電極や皿状電極を導電性ペーストや特殊な帽子で頭 皮に固定する場合と、針電極を皮内に挿入する場合、スポンジに電 解質溶液を満たした電極をバンドなどで固定する場合がある。 ◦長所は、針電極の場合を除き基本的に侵襲性がないこと、安価な ことである。しかし短所として、導電率の異なる脳・硬膜・脳脊髄液・ 頭蓋骨・皮膚などを通して観察することによる空間分解能の低さ、 高周波の活動の低減、頭皮との接触不良による雑音混入、筋電図 の混入などがある。ウィキメディア3.3 頭皮電極・脳表電極 シヤン卜効果 大脳皮質(狭い領域での電気活動) ➔広い頭皮上に分布する傾向 ＝発生源の直上にのみ記録されない 大脳皮質の表面＝脳軟膜・硬膜・脳脊髄液・くも膜・・皮膚・皮下組織 頭蓋骨等＝重層的構造物が異なった電気抵抗 脳表で電流が 横に広がる 難物＝電流伝導率が髄液の300分の１ シヤン卜効果 電流伝導率の異なる脳・硬膜・脳脊髄液・頭蓋骨・皮膚などを通し て観察することによる空間分解能の低さ、高周波の活動の低減、 頭皮との接触不良による雑音混入、筋電図の混入などがある。 ➔空間解像度の低さ、脳波で記録された電位と脳の機能との対応 へ大きな制約 脳磁図(MEG) 脳の電気的な活動によって生じる磁場を超伝導量子干渉計 (SQUIDs) と呼ばれる非常に感度の高いデバイスを用いて計測するイメージン グ技術。電流双極子が出す微弱な電流の周りには「右ネジの法則」 に従って微弱な磁場が生ずる。この微弱な磁場を捉えるのが脳磁図 である。この装置は多くの研究室が使用し、さまざまな研究に応用さ れています。代表的な使用例は以下のとおりです。 1.新たに合成された材料の磁気的性質（磁気モーメントの大きさ、磁気転移の 有無、交換相互作用の見積りなど）の研究 2.dH-vA振動を利用したフェルミオロジー 3.超伝導体の研究 4.半導体中の不純物の磁気的基底状態の研究 5.ナノ粒子の磁気的性質の研究 6.強磁性・反強磁性ハイブリッド材料の磁気特性 「脳磁図」は「脳波」がもっていない様々な長所 第 １に、脳磁場は周辺の構造の影響を受けにくいために、脳波の泣 きどころであった空間分布の歪みが、小さいという利点がある。その ため電流双極子の三次元的な位置の推定が、比較的単純な計算で 可能である。 第2に、電位は発生源からの距離の2乗に反比例して減衰するのに 対して、 磁場は距離の3乗に反比例して減衰する。さらに脳波は、頭 部構造の電流伝導率の違いにより、頭皮上では実際よりも広く分布 する傾向があるが、脳磁場にはそのようなことはない。したがって脳 波よりも空間解像度が優れているという利点がある。 第3に、脳波と脳磁図に共通した限界として、これらの手法は大脳皮 質のように神経細胞が一定方向に整列し電流双極子を形成する部 分の活動 しか直接捉えることができない点が挙げられる。 すなわち、脳の深部にある大脳基底核や脳幹の神経核のように、神 経細胞の向きがバラバラの部位では、各神経細胞が発生する電位 が相殺され、そこで発生する電気活動を頭部外から直接計測するこ とはできない。したがって、こうした 部位の脳の活動を電気的に捉え るためには、次に解説する脳の血流・代謝活動との同時計測などに より、夕－ゲットとなる場所の神経活動の強さを間接的に反映する成 分を見出し、それを計測するといったような特別な工夫が必要になる。 2-3 脳機能イメージングの限界