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ヒトの思考プロセスの解明を目的とするワーキングメモリの研究

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Presentation on theme: "ヒトの思考プロセスの解明を目的とするワーキングメモリの研究"— Presentation transcript:

1 ヒトの思考プロセスの解明を目的とするワーキングメモリの研究
電気通信大学 総合コミュニケーション科学推進室 田中 繁

2 本日のお話 1.発達障害とワーキングメモリ(WM)研究 2.記憶、思考、 WMの関係 3.ワーキングメモリ課題 4.既存のモデル 5. WMに関わる脳部位 6. WMの提案モデル 7.ルール学習とは何か 8. WM研究の展望

3 1.発達障害とワーキングメモリ(WM)研究

4 超高齢社会の到来 高齢化率=(65歳以上人口)/(総人口) 我が国の高齢化率=23%(2010年)、26.5%(2015年推計)
高齢化社会(7%~14%), 高齢社会(14%~21%), 超高齢社会(21%~ )

5 発達障害 発達障害:自閉症、高機能自閉症、アスペルガー症候群、学習障害、注意欠陥/多動性障害 コミュニケーション能力に問題
  コミュニケーション能力に問題   ワーキングメモリの障害が一要因と考えられる 普通学級で、6.5%の児童 大学生で、10%の学生 発達障害は、器質的な障害(薬では治らない) ワーキングメモリ研究発達障害の理解と指導法改善

6 2.記憶, 思考, WMの関係

7 記憶にも色々ある Working Memory 作業記憶 長期記憶 短期記憶 ~ 本棚、ファイルキャビネット ~ ノート、メモ帳
~ 本棚、ファイルキャビネット 長期記憶  短期記憶  ~ ノート、メモ帳 作業記憶  ~ 机、テーブル + 私 Working Memory 目的を遂行するために, 必要な情報を一時的に保持し, その情報を操作する働き~思考の根幹

8 論理的思考 概念をルールに従って順番に生成すること 概念の一時的保持と破棄が必要 例) 2×3+3×4の計算
例) 2×3+3×4の計算   2×3=6 と計算し、6という情報を保持    次に、3×4=12 と計算     12+6=18 と計算し、 6という情報を破棄      答え 18

9 言語における係り受け 英語における人称・数の一致 I am a UEC student. They are UEC students.
古語における係り結び    声聞くときぞ秋は悲しき(悲し)    今こそわかれめ(む)

10 コミュニケーションにおけるWM 現在の話題、文脈を一時的に保持 終わった話題は破棄

11 3.ワーキングメモリ課題 N-back task Stroop task Wisconsin card sorting task
1-2-AX task

12 1 X A 1-2-AX課題 1, 2, A, B, X, Yの6種類のシンボルが呈示される
1-AX の場合, そのXに対して右シフトキー(R)を押す. 2-BY の場合, そのYに対して右シフトキー(R)を押す. それ以外のシンボルに対して, 左シフトキー(L)を押す. 1 左Shift 右Shift X A 呈示 反応

13 1-2-AX課題にチャレンジしてみよう! B 1 Y A X 2 B ・・・ B A Y X A Y X

14 4.既存のモデル

15 Baddeley-Hitchの概念モデル
記憶系+中央実行系 ホムンクルス(小人)? Multicomponent Model Baddeley & Hitch, 1974

16 数理モデル Nonlinear recurrent neural network f 有限オートマトンと等価 故に、チューリングマシンと等価
× Dayanの研究 Back propagation through time 有限オートマトンと等価 故に、チューリングマシンと等価 q0 q1 q2 q1A q2B

17 5.WMに関わる脳部位

18 短期記憶:   下側頭葉、頭頂連合野、前頭前野、海馬  待機期間中に持続放電をするニューロン 中央実行系:  大脳皮質‐大脳基底核‐視床‐大脳皮質ループ    前頭葉における普遍的な構造    「思考」も「言語」も概念空間の「運動」

19 脳の構造

20 大脳皮質-基底核ループ 前頭葉に共通する脳構造 CX Str_D Str_I GPe STN GPi TH 興奮性 抑制性
直接路内のニューロン 間接路内のニューロン 皮質ニューロン 視床ニューロン

21 GABA作動性ニューロン 大脳皮質と視床から入力 淡蒼球に抑制性出力 双安定静止膜電位 Up state Down state
線条体中型有棘神経細胞(MSN) GABA作動性ニューロン 大脳皮質と視床から入力 淡蒼球に抑制性出力 双安定静止膜電位 Up state Down state Wilson & Kawaguchi, 1996

22 6.WMの提案モデル

23 情報保持の回路 情 報 の 保 持 入力 入力 CX CX Gate ON信号 from 皮質 Gate ON信号 from 皮質
Gate OFF信号  from 視床 Gate OFF信号  from 視床 Str_D Str_I Str_I Str_D GPe GPe 興奮性 抑制性 直接路内のニューロン 間接路内のニューロン 皮質ニューロン 視床ニューロン STN STN GPi GPi TH TH 出力 出力

24 情報破棄の回路 情報の破棄 入力 CX Gate OFF信号 Gate ON信号 from 皮質 from 視床 出力 Str_D
Str_I GPe 興奮性 抑制性 直接路内のニューロン 間接路内のニューロン 皮質ニューロン 視床ニューロン STN GPi TH 出力

25 レートコーディングニューロンモデル 𝑗 番目のニューロンの活動 𝜂 𝑗 𝑡 𝜂 𝑗 𝑡 =𝑓 𝜁 𝑗 𝑡 − 𝜃 𝑗
𝑗 番目のニューロンの活動 𝜂 𝑗 𝑡 𝜂 𝑗 𝑡 =𝑓 𝜁 𝑗 𝑡 − 𝜃 𝑗 𝑗 番目のニューロンの膜電位 𝜁 𝑗 𝑡 𝜏 0 𝑑𝜁 𝑗 𝑡 𝑑𝑡 = −𝜁 𝑗 𝑡 + 𝑖 𝑤 𝑗𝑖 𝜂 𝑖 𝑡 + 𝑟 𝑗 (𝑡) 変換関数 𝑓(𝑥) 𝑓 𝑥 =F tanh 𝛽𝑥 , 𝐹 𝑦 =𝑦 for 𝑦>0, otherwise 0 しきい値 (0.0 ~ 1.4) 発火のしやすさ 時定数 他のニューロンから j 番目のニューロンへの入力

26 線条体ニューロンのモデル 𝑑𝜁 𝑗 𝑡 𝑑𝑡 =ℎ 𝜁 𝑗 𝑡 +𝐼(𝑡) ℎ 𝑥 = −𝑎 𝑥 3 +𝑏 𝑥 2 −𝑐𝑥
双安定な静止膜電位 down state から up stateへの遷移には             同期した多入力信号が必要    𝑑𝜁 𝑗 𝑡 𝑑𝑡 =ℎ 𝜁 𝑗 𝑡 +𝐼(𝑡) ℎ 𝑥 =  −𝑎 𝑥 3 +𝑏 𝑥 2 −𝑐𝑥 線条体への総入力 双安定性をもたらす a = 4, b= 11 , c = 8.5のとき

27 機能単位ループ Str_D CX GPe STN GPi Str_I TH

28 1-2-AX課題遂行のループ回路 入力 出力 Anterior Posterior Gate ON from 皮質 to 線条体(D/I)
Gate OFF  from 視床 to 線条体(I)  From 視床 to 皮質  Symbol 1-2-AX Task 出力 L R Anterior Posterior

29 1-2-AX課題遂行のループ回路 入力 出力 1や2の情報の保持 Gate ON from 皮質 to 線条体(D/I) Gate OFF
from 視床 to 線条体(I)  From 視床 to 皮質  Symbol 1-2-AX Task 1や2の情報の保持 出力 L R

30 1-2-AX課題遂行のループ回路 入力 出力 AやBの情報の保持 Gate ON from 皮質 to 線条体(D/I) Gate OFF
from 視床 to 線条体(I)  From 視床 to 皮質  Symbol 1-2-AX Task 出力 AやBの情報の保持 L R

31 1-2-AX課題遂行のループ回路 入力 左シフトキーを押す出力 Symbol 1-2-AX Task 出力 L R

32 1-2-AX課題遂行のループ回路 入力 右シフトキーを押す出力 Symbol 1-2-AX Task 出力 L R

33 1-2-AX課題遂行時の出力 1 A X 1 2 A X B Y L L R L L L L L R

34 7.ルール学習とは何か

35 ルールの学習とは何か? 1 2 3 4 基本回路が予め脳内に存在していたのではないか? 全てのシンボルに対して Lを押す回路
特定のシンボルに対しのみ Rを押す回路 特定のシンボル2つが連続して 呈示された場合に, 2つめのシンボルに対して Rを押す回路 あるシンボルが呈示された後に, 特定のシンボル2つが 連続して呈示された場合に, 2つめのシンボルに対して R を押す回路 L R 基本回路が予め脳内に存在していたのではないか?

36 ルール学習=基本回路の選択 チョムスキーの言語獲得装置に共通する考え方 「子供の脳は白いカンバス」ではなく、下描きがある
  「子供の脳は白いカンバス」ではなく、下描きがある 「学習=可塑性シナプスによるつなぎかえ」ではない どのように適切な回路が選ばれるのか     前脳基底部マイネルト核コリン作動性ニューロン       大脳皮質のサブネットワークを選択?     腹側被蓋野ドパミン作動性ニューロン       側坐核を介してゲート作用?

37 8.WM研究の展望

38 神経科学 AI技術 ライフサポート http://tanaka-lab.net/ 脳と心の関係 心身問題 思考力 コミュニケーション能力
教育 AI技術 コミュニケーション能力 心豊かな社会


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