認知神経科学（Cognitive Neuroscience）とは、記憶・注意・言語・知覚などの心の働きが、脳のどこで、どのようなしくみで実現されているのかを調べる学問です。心理学の実験と、脳を測ったり働きに介入したりする方法を組み合わせるのが特徴です。
試験では、名前の由来、方法ごとの時間分解能・空間分解能、二重乖離、相関と因果の区別がよく問われます。
簡単な説明
電話番号をメモするまで頭の中でくり返す場面を考えてください。「数字をいくつまで覚えていられるか」は行動の実験で調べられますが、それだけでは「その記憶を脳のどこが支えているか」はわかりません。
そこで、脳のけがで記憶が苦手になった人を調べたり、課題中の脳の活動を測ったりします。ゲームの遊び方のルール（心のしくみ）と、ゲーム機の中の部品（脳）をつなげて理解する学問です。
由来
名前をつけたのは、神経科学者のMichael S. Gazzanigaと認知心理学者のGeorge A. Millerとされます。認知神経科学会（Cognitive Neuroscience Society）の公式サイトによると、1970年代後半、研究者の夕食会へ向かうニューヨークのタクシーの中で生まれた名前で、どちらが先に言ったかは明かされていません。
| 年 | 主なできごと |
|---|---|
| 1955年 | Hans-Lukas Teuberが二重乖離（double dissociation）という用語を用いる |
| 1957年 | William B. ScovilleとBrenda Milnerが、患者H.M.の記憶障害を報告 |
| 1962年 | Michael S. Gazzaniga、Joseph E. Bogen、Roger W. Sperryが分離脳の研究を報告 |
| 1970年代後半 | GazzanigaとMillerが「認知神経科学」と名づける |
| 1981年 | Sperryが大脳半球の機能分化の発見でノーベル賞 |
| 1985年 | Anthony T. Barkerらが、頭の外から脳を磁気で刺激する方法（TMS）を報告 |
| 1989年 | Journal of Cognitive Neuroscience誌の第1巻が刊行される |
具体的な説明
認知心理学との関係
認知心理学 (Cognitive Psychology)は、心を情報処理のしくみとしてとらえ、反応時間や正答率から処理の段階を推測します。認知神経科学はこの理論をもとに、「その処理は本当に別々にあるのか」「どこで、いつ行われるのか」を脳のデータで確かめます。
主な方法と分解能の比較
方法は、脳の活動を測る方法と、脳の働きを乱す方法に分かれます。時間分解能は「いつ」を、空間分解能は「どこ」をどれだけ細かく区別できるかです。各装置のしくみは神経画像検査（Neuroimaging）で説明しています。
| 方法 | 何がわかるか | 時間分解能 | 空間分解能 | 因果（必要かどうか） |
|---|---|---|---|---|
| 脳損傷研究（神経心理学） | ある部位が損なわれると何ができなくなるか | ―（損傷は長く続く） | 損傷の範囲しだいで、人によってばらつく | 示しやすい |
| fMRI・PET | 課題中に血流や代謝が変化する場所 | 低い（秒〜分） | 比較的高い（ミリメートル単位） | 示せない（相関） |
| EEG・ERP・MEG | 電気・磁気の活動の時間的な流れ | 高い（ミリ秒） | 低い | 示せない（相関） |
| TMS（経頭蓋磁気刺激） | 一時的に働きを乱すと課題がどう変わるか | 高い（刺激のタイミングを選べる） | 装置や条件しだい | 示しやすい |
カメラでいえば、脳波・ERPは「シャッターは速いがピンぼけ」、fMRIは「くっきり写るがシャッターが遅い」です。弱点を補うため方法を組み合わせます。fMRIで「どこ」を、ERPで「いつ」を、損傷研究やTMSで「その部位が必要か」を確かめます。TMSは健康な人の働きを短時間だけ乱せるため、仮想損傷（virtual lesion）とも呼ばれます。
二重乖離
「映るのに音が出ないテレビ」と「音は出るのに映らないテレビ」がそろえば、映像と音は別の部品の担当だとわかります。脳でも、「部位Aの損傷で機能Xが障害され、機能Yは保たれる」だけ（単一乖離）では、Xが単にYより難しい課題だっただけかもしれません。そこで、部位Bの損傷では逆にYが障害され、Xは保たれるという患者が見つかれば、XとYは別々のしくみによると強く主張できます。これが二重乖離で、Teuberは機能局在の確かな証拠にはこれが必要だと考えました。
| 例 | 一方の患者 | もう一方の患者 |
|---|---|---|
| 短期記憶と長期記憶 | H.M.（内側側頭葉の切除）：数字の復唱は保たれるが、新しい出来事を覚えられない | K.F.（Shallice & Warrington, 1970）：言語的な短期記憶は大きく低下、長期的な学習は保たれる |
| 見て分かる・見て動く | D.F.（視覚性の形態失認）：細長い穴の傾きを見分けられないのに、カードを穴に差しこむ手首の向きは正確 | 後部頭頂葉の損傷による視覚性運動失調（optic ataxia）：見分ける力は比較的保たれるのに、手を正確に伸ばせない |
こうした患者の観察などをもとにMelvyn A. GoodaleとA. David Milner（1992）は、物が何かを知る腹側経路（後頭葉から下側頭葉）と、物に手を伸ばす動作を導く背側経路（後頭葉から後部頭頂葉）を区別しました。
実験や観察の方法と結論
| 研究 | 方法 | 結論 |
|---|---|---|
| Scoville & Milner（1957） | てんかんの治療で両側の内側側頭葉を切除した患者H.M.を検査 | 知能や知覚は保たれ、新しい記憶を作る力が大きく失われる。記憶は他の認知機能と切り離せる |
| Gazzaniga, Bogen, & Sperry（1962）以降の分離脳研究 | 左右の半球をつなぐ線維を切った患者で、片方の半球だけに情報を示す | 左半球は話す・書く・計算にすぐれ、右半球は話せないが空間の理解などにすぐれる |
例文
「認知神経科学の研究室で、ことばの処理の時間的な流れをERPで、場所をfMRIで調べています。」
「短期記憶だけが障害された患者と長期記憶だけが障害された患者の対比は、二重乖離の代表例です。」
疑問
Q: 認知心理学と認知神経科学は、何が違うのですか？
A: 問いは共通で、証拠が違います。認知心理学は主に行動から心のしくみを推測し、認知神経科学はそこに脳のデータを加えます。
Q: fMRIである部位が活動していれば、その部位がその働きに必要だといえますか？
A: いいえ。fMRIやERPが示すのは「課題中に活動した」という相関です。必要かどうかは、脳損傷研究やTMSで確かめます。逆に「この部位が活動したから○○の働きが起きた」と推す逆推論（reverse inference）は論理的に確実ではなく、Poldrack（2006）は慎重に使うよう求めました。
Q: 二重乖離があれば、2つの機能は脳の中で完全に独立しているといえますか？
A: 「別々のしくみがある」強い証拠ですが、「完全に独立」とまではいえません。損傷の範囲は患者ごとに違うので、ほかの方法の結果と合わせて判断します。
理解度を確認する問題
問題1. 患者Pは新しい出来事を長く覚えておけないが、数字の復唱は正常にできる。患者Qは数字の復唱が大きく苦手だが、新しいことを長期的に学習できる。この2人の対比から導かれる結論として、最も適切なものはどれか。
- A. 短期記憶と長期記憶は、同じ1つのしくみで支えられている
- B. 患者Pの障害は、長期記憶の課題のほうが難しいことで十分に説明できる
- C. 短期記憶と長期記憶は、少なくとも部分的に別々のしくみで支えられている
- D. 長期記憶に入る情報は、必ず正常な短期記憶を通らなければならない
正解：C 逆向きの障害がそろう二重乖離です（H.M.とK.F.の対比が代表例）。Aは逆の結論です。Bはまぎらわしいですが、「難しさの違い」は患者Pだけ（単一乖離）なら残る説明で、短期記憶の課題だけが苦手なQがいることで否定されます。Dは、短期記憶が苦手なQが長期的に学習できることと合いません。
問題2. 脳を調べる方法の時間分解能・空間分解能に関する説明として、最も適切なものはどれか。
- A. fMRIは血流の変化を測るので、ミリ秒単位の変化をとらえられる
- B. 脳波（EEG）は時間分解能が高いが、空間分解能は低い
- C. PETは、時間分解能・空間分解能のどちらも脳波より高い
- D. MEGは磁気を測るので、時間分解能はfMRIより低い
正解：B 脳波は電気の活動をミリ秒単位でとらえますが、頭皮の上から測るので「どこ」は細かく区別できません。Aは誤りで、血流の変化は数秒遅れるため、fMRIの強みは空間分解能です。Cはまぎらわしいですが、PETが脳波より高いのは空間分解能だけです。Dも誤りで、MEGは脳波と同じく時間分解能が高い方法です。
問題3. 認知神経科学に関する説明として、最も適切なものはどれか。
- A. 「認知神経科学」という名前は、分離脳研究でノーベル賞を受けたSperryが1981年に名づけた
- B. fMRIである部位の活動が見られれば、その部位がその課題に必要だと確定できる
- C. TMSは健康な人の脳の特定部位の働きを一時的に乱せるので、その部位が課題に関わるかを調べられる
- D. 分離脳研究では、右半球が話す・書く働きにすぐれることが示された
正解：C TMSは「仮想損傷」とも呼ばれます。Aは誤りで、名前は1970年代後半にGazzanigaとMillerがつけたとされます。Bは誤りで、fMRIが示すのは相関です。Dは左右が逆で、話す・書く働きにすぐれるのは左半球です。
関連キーワード
- 認知心理学 (Cognitive Psychology)
- 神経画像検査（Neuroimaging）
- 事象関連電位（Event-Related Potential: ERP）
- 機能局在（Functional Localization）
- 記憶障害（Memory Disorder）
- 二重乖離（Double Dissociation）
- 経頭蓋磁気刺激（Transcranial Magnetic Stimulation: TMS）
- 分離脳（Split Brain）
関連論文
まずこの1本
Churchland, P. S., & Sejnowski, T. J.（1988）Perspectives on cognitive neuroscience. Science, 242(4879), 741–745.
Science誌に載った、認知神経科学の見通しを示した論文です。大規模な脳活動を調べる新しい技術、計算モデル、認知過程のよりよい理解が合わさり、共同研究の道が開けたと論じました。試験対策としては、脳活動の測定・計算モデル・認知心理学を組み合わせる発想を押さえましょう。
https://doi.org/10.1126/science.3055294その他の参考文献
Pascual-Leone, A., Walsh, V., & Rothwell, J.（2000）“Transcranial magnetic stimulation in cognitive neuroscience: Virtual lesion, chronometry, and functional connectivity.” Current Opinion in Neurobiology, 10(2), 232–237.
概要 TMSが、部位と行動の関係（仮想損傷）、働く時点、領域間のつながりを調べるのに役立つことをまとめた総説です。
https://doi.org/10.1016/S0959-4388(00)00081-7ほそめがねのひとこと
方法ごとの時間分解能と空間分解能の違いは、何度も読み返してます。
覚え方
①由来：「タクシーでガザニガとミラー」（1970年代後半）。
②分解能：「電気はいつ、血流はどこ」。脳波・ERP・MEGは「いつ」、fMRI・PETは「どこ」に強い方法です。
③因果：「乱してわかる必要性」。測るだけなら相関、損傷研究とTMSは必要性に答えます。
④二重乖離：「映らないテレビと音の出ないテレビ」。逆向きの障害の2例がそろうことです。
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