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

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1 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
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)

2 脳 １．音楽と情報学、音楽と脳科学 １）情報現象、生命現象としての音楽 報酬系の神経回路を活性化
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 感性情報 ・視覚情報 報酬系の神経回路を活性化 ・味覚情報 ・触覚情報 ・嗅覚情報 美しさ・快さ⇐感応反応➔歓び等

3 伝統的音楽・民族音楽・ポピュラーミュージック等
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

4 ＋ 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」 研究進展の壁 医療用計測環境での限界
脳科学的手法の持つ 潜在活性の利用 音楽に情報学的にアプローチする方法論的独自性 研究進展の壁 医療用計測環境での限界 PET・ｆMRIなど計測環境のマイナス要因 現状の高度専門分化 された学術体制➔限定的 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

5 ２．聴く脳・見る脳の仕組み 現存する地球生命 ＝生体制御システムを保有 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 　　＝生体制御システムを保有 生存維持の 環境情報の伝達・処理 神経細胞の基本的な機能 樹状突起 軸索末端 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

6 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 シナプス 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。 軸索で伝達情報を受信するアンテナの役 核 樹状突起

7 脳における情報と物質の「等価性」 作用する 信号の伝達効率の変化 シナプスにおける電気活動 化学反応 電気活動という変換の過程 麻薬
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 信号の伝達効率の変化 神経伝達物質と受容体とは 鍵と鍵穴の関係に似ている 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

8 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
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。

9 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。
　　　　　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。

10 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。
　　　　　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。

11 １－３ 脳機能の階層性 可塑性 大脳皮質 脳の構造と機能➔情報の変化に応じて 脳幹 大脳辺縁系 脳の性質 対応するPCの装置 情報書き込み
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 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 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

12 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

13 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) 　　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) 　　脳血流と酸素代謝の変化を捉える 　　＝機能的磁気共鳴像法(ｆMRI) 　　血液のヘモクロビンの濃度変化を捉える 　　＝近赤外線スペクトロスコピー（NIRS）　　 高い時間分解能を持つ 空間解像度が優れるが、 時間分解能が劣る 単独で万能のものはない。組み合わせによる総合的アプローチ

14 人間の脳機能 “可塑性" 個別性 機能的、構造的な変化 シナプスでの シナプス結合の 伝達効率の 数や形態の 変化により 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)

15 × 電流双極子 記録 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
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 樹状突起の深部刺激 樹状突起の先端刺激 大脳皮質の表面 陰性電位 陽性電位 記録 マイナス極性 プラス極性

16 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

17 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
　＝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 　　シヤン卜効果 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 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

18 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

19 「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。

20 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。

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22 2-3　脳機能イメージングの限界

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