知能探求のための神経科学入門

知能探求のための神経科学入門
2021/1/24
KOJI FUKUOKA

留意事項
 この分野はまだ不確定要素と流動性が高いので、あくまで発信日時での情報であること
に留意ください。
 知能を高めるノウハウを提供する趣旨ではありませんのでご理解ください。
 所属企業ではなく、あくまで個人としての発信です。本情報に伴う結果に関して責任は
負いかねますのでご了承お願いいたします。
COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA
2

本シリーズの趣旨：３つの謎（原理）への探求を気楽に楽しむ
3
生命とは？
http://www2.city.nasushiobara.lg.jp/kids2/kid_where.html
宇宙とは？
知能とは？
宇宙物理学
宇宙生物学
分子生物学
合成生物学
神経科学
コンピュータ科学
物理学
生物学
化学
生理学
数学
解きたい謎関連する学問テーマ学問テーマの大分類
今回の
フォーカス

本日の流れ
• 知能とは？
• 神経科学の役割
• 脳の仕組み
• 知能に必要な要素
• 記憶
• 意識
• 思考
• トピック
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【自己紹介】
IT企業でAIなど新技術を活用した事業開発。
元々宇宙物理研究を志し、今は１科学愛好家。

知能とは？
5
いわゆる「知能」は一般的に物事を高度に記憶・思考する能力を指し、幾つかモデルも提唱されていますが、今回では知覚・
記憶・思考がどのように行われているか、という観点で探求します。
知覚
記憶（+意識）
思考
仕
組
み
解
明
知能から連想する行為
 社会性
 道具の使用
 未来の計画
 文化的活動
 自己認識
今回における知能へのアプローチ
第2層(広い能力)の一覧
Gf(流動的知能): 思考や推理によって問題を解く能力
Gc(結晶的知能): 母語の運用など、汎用性の高い知識
Gv(視空間能力): 視覚的･空間的イメージを理解・操作する能力
Ga(聴覚的処理): 聴覚的なパターンを識別・理解する能力
Gsm(短期記憶): いわゆるワーキングメモリ
Glr(長期記憶･検索): 記憶を適切に素早く記銘･想起する能力
Gs(認知的処理速度): 熟練した認知課題をあまり意識せず素早く
こなす能力
Gq(量的知識): 定量的な思考・知識および数学的能力
Grw(読み書き): 読み書きの知識と技術
※出所：新しい知能の枠組み：「CHC理論」と「g-VPRモデル」
https://note.com/sick4989hack/n/n98b15e9b4c34

神経科学の役割
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「知能」に関わる処理を担うのは脳での反応が中心と推測されており、そこでは感覚と運動を仲介する神経細胞が主役と考
えられていました。
■役割
感覚と運動を仲介する細胞
■場所
1. 中枢神経
(脳・脊髄)
2. 末梢神経
宇宙時間主な出来事
0 宇宙創成
30億年星と銀河の形成
90億年太陽と地球の形成
100億年生命の誕生（単細胞生物）
131億年多細胞生物の誕生
133億年神経細胞を持つ生物の誕生
138億年現在
※出所：「進化の意外な順序」（アントニオ・ダマシオ著）
中外製薬サイト「からだのしくみ：神経」
https://www.chugai-pharm.co.jp/ptn/medicine/karada/karada022.html
人体における神経の役割
末梢神経中枢神経(脳・脊髄)
中枢神経が末梢神経
に指令伝達し、中枢へ
の監視役としても機能
末梢神経
運動神経自律神経

脳の仕組み：全体部位の構成
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人間の脳は大脳・小脳から構成され、各機能ごとに複雑に入り組んでおり神経細胞が張りめぐされています。
※出所：別冊ニュートン「脳の仕組み」
脳の表面
脳梁
左右の大脳半球
をつなぐ構造。
軸索が多く走る
大脳白質
神経細胞同士を
つなぐ軸索が
縦横に走る領域
前方から見た断面図
大脳皮質
大脳表面をおおう厚さ2-3mmの層。
「神経細胞」が密集し、
記憶の貯蔵庫。
尾状核
左大脳半球
右大脳半球
脳室被殻

脳の仕組み：最小単位（細胞）の構成
8
細胞単位で見ると、ニューロン（神経細胞）とそれを補助するグリア細胞から構成され、前者だけでなく後者の役割が計測
技術の進歩と共に解明されつつあります。
脳機能を支える細胞
ニューロン(1000億個以上) グリア細胞(1兆個以上)
※出所：生物物理「グリア細胞」
https://www.biophys.jp/highschool/A-08.html
アストロサイト
オリゴデンドロサイト
ミクログリア

脳の仕組み：ニューロン（神経細胞）の構造
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ニューロンは１つが数万個にも繋がるネットワーク構造をとっており、それによって効率的に情報を伝達・保持しています。
※出所：Wiki
https://starpentagon.net/analytics/neural_network_unit/
ニューロンの画像
ニューロンによる情報伝達イメージ
ニューロンの仕組みを数学的
に表現したのが「ニューラル
ネットワーク」というアルゴリズ
ムで、その階層を深くしたのが
「ディープラーニング」
1.ニューロンに信号が入力 2.細胞体は入力和を判定
3.入力和が閾値より大きい時発火して
次のニューロンに伝える

脳の仕組み：ニューロンの伝達方法
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ニューロン内は電気信号で、細胞間はシナプスでの神経伝達物質を通じて、情報の授受が行われており、成長と共にその伝
達内容も変化していきます。
※出所：中外製薬サイト「からだのしくみ：神経」
https://www.chugai-pharm.co.jp/ptn/medicine/karada/karada022.html
樹状突起
受容体
シナプス間隙
神経伝達物質
シナプス軸索
髄鞘(ずいしょう)
神経伝達物質の種類(100以上)も、成長と
共に変化し、伝達の速度が高まったり、発火を
促す（興奮）だけでなく抑制機能も備えてきま
す。（要は伝え方も複雑化）

脳の仕組み：脳の成長
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人の脳の成長曲線
脳
の
重
さ
(g)
シ
ナ
プ
ス
の
密
度
(×
10
11
個
/cm
3
)
受精 0歳(出生) 1歳
情報のつなぎ目として知能に影響を与える可能性の高いシナプスの数は、大体1〰3歳までがピークといわれています。

脳の仕組み：解析装置の発達１
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fMRIや遺伝子技術の進歩のおかげで、より脳(神経細胞)の活動状況が鮮明に分かるようになってきました。
fMRI(機能的磁気共鳴画像法)
※出所：健康長寿ネット「fMRIの仕組み」
https://www.tyojyu.or.jp/net/kenkou-tyoju/tyojyu-iryo/fmri-shikumi.html
脳科学辞典「光遺伝学」
血流の流れで生じる磁場の乱れを解析するMRIに、
さらに神経細胞の活動影響を踏まえたものがfMRI
光遺伝子(オプトジェネティクス)技術
光に反応するタンパク質を遺伝子技術で指定の神経細胞
に発現させることで、精緻な実験検証が可能に

脳の仕組み：解析装置の発達２
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光遺伝子技術を活用することで、実験動物の行動変容の比較検証が容易にでき、その原因となるニューロン集団の特定も
進んでいます。
※出所：Newspick「脳の世紀」
https://newspicks.com/news/5461437/body/

知能の要素：記憶１
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知能の基礎にあたる記憶は、まず感覚情報が海馬に集まり初期処理され、必要なものを大脳皮質が保管すると考えられて
います。但し身体の動かし方など言葉に出来ない記憶は、小脳で中心に作用されています。
※出所：エーザイHP「解明！記憶のメカニズム」
https://monowasure.eisai.jp/mechanism/02.html
大脳皮質
海馬
記憶を転送
（覚えるべき情報）
短期記憶長期記憶
陳述記憶手続き記憶
• 言葉やイメージ
• 知識
• 思い出
etc
• 楽器の演奏
• 自転車の乗り方
• スポーツのコツ
etc
記憶種類
主に小脳(と大脳基底核)
が作用
小脳
主に海馬・大脳皮質が
作用

知能の要素：記憶２
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「記憶の保管場所はニューロンネットワークの構造」であり、かつ、同じことを学習すると同じシナプスが肥大化する（逆も同
様）ことが分かっており、記憶が定着化される要因と考えられています。
※脳とは「記憶そのもの」だった──「記憶のメカニズム」の詳細が明らかに
https://wired.jp/2017/08/12/your-brain-is-memories/
※Neuron論文「Memory Takes Time」
https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(17)30467-1
頻度が多い情報はシナプス部が肥大化して定着化し、
少ないものは小さくなります。
また、ニューロン・シナプスは時間という概念も理解して
いる仮説も提唱されています。
（つまり、回数だけでなく情報の鮮度も考慮している
可能性）

知能の要素：意識１
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知能に関わる、思考力や社会性に貢献した「意識」（自分自身を心的経験の主体者として認識している状態）は長年の
進化の過程で神経も寄与したと考えられ、仕組みとしては脳内の局所的な処理を統合して発露したものとされています。
統合された経験
主観性
心的イメージ化の
視点構築能力
イメージに伴う感情
意識
心的イメージ化の
基礎能力
神経系の獲得
局所的なプロセッサーが一貫した解釈を得る
べく同期して大規模な並行処理を実行し、
広範囲に共有できる状態になると意識が発現
意識の成り立ち（仮説）
※出所：アントニオ・ダマシオ「進化の意外な順序」
スタニスラス・ドゥアンヌ「意識と脳」

知能の要素：意識２
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例えば眼でモノを見て意味を表現するという過程だけ見ても、下図のように階層ごとに各部位ごとに処理を分散＆積み重ね
て統合的に処理しています。
※出所：絵画を見る眼は脳で養われる
http://fanblogs.jp/mtshchz/archive/57/0
視覚認知の階層構造（出所「脳の科学史」）
V1
網膜
V2
V3
V4
視覚連合野
大脳辺縁系
言語野
V3a
VA
VP
V5/MT
記憶
空間視
形態視
形色動き
要素分離
情報
入力
具体
表現
具体
表現
意味
表現

知能の要素：意識３
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意識を備えた状態が必ずしも高い知能を備えた判断が出来るわけではなく、状況によっては、無意識（直観）を司る部位
の活動が活躍することが分かっています。
将棋のプロが下図左を見て即座に次の一手
(結果が下右図)を考えるまでの脳内の活動を
fMRIで計測した結果、右図のとおり直観を担う
部位（大脳基底核）に直接シフトして意識に
あがる。
アマは他の部位（大脳皮質系）を巡回。
楔前部
大脳基底核
一次視覚野

知能の要素：思考１
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「思考」能力の高さをIQテストで評価すると、「高い人ほど大脳皮質の体積が大きくニューロンの密度が小さい」という特徴が
分かり、ニューロン外の環境も思考能力に影響するのでは？、という説も浮上しています。
※出所：「脳を司る脳」
※上記著者の解説サイト「最新の脳研究が明かす「頭がいい人、悪い人」は何が違うのか」
https://gendai.ismedia.jp/articles/-/79379
ニューロン以外の影響も？

知能の要素：思考２
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ニューロンを補助する脇役と思われてきた「グリア細胞」が近年の研究で見直されており、知能含めた脳が果たす能力に貢献
している可能性があります。
脳機能を支える細胞
ニューロン
アストロサイト
オリゴデンドロサイト
ミクログリア
グリア細胞
グリア細胞の主な役割
共通の役割：ニューロンの情報伝達を支援
アストロサイト：脳内環境の整備（脳内液の洗浄等）
や非シナプス伝達の仲介
オリゴデンドロサイト：ニューロンの軸に巻き付いて、
伝導速度を向上
ミクログリア：シナプスを診断＆治療する脳内免疫機能
グリア細胞のニューロ
ン数比率は、高等
生物ほど高い（ヒト
は1.3〜2倍）
※例外はあるので決定打
ではない
※「最新の脳研究が明かす「頭がいい人、悪い人」は何が違うのか」

知能の要素：思考3
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アインシュタインの脳を調べると、平均よりやや(10%強)思考領域や左右脳を繋ぐ部位の容量が大きかったが、近年の調査
で、グリア細胞のニューロン比率が大きく異なっていることが判明しました。
アインシュタインの才能の手がかりを求めて調査したアイ
ンシュタインの大脳皮質の部位。（A）前頭前野、
（B）下頭頂野
脳全体の重さは平均を下回るが、視覚的・空間的な思考をつか
さどる部分が通常より15%大きかった→天才の根拠？
※天才アインシュタインの「脳」の秘密がわかった！
※「最新の脳研究が明かす「頭がいい人、悪い人」は何が違うのか」

トピック
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イーロン・マスク氏などが試みる「BMI(Brain Machine Interface)」アプローチが各研究機関で進んでおり、今までに挙げた
知能の要素を機械が補助または代替する可能性もあります。
※出所：イーロン・マスク氏、脳とコンピューターつなぐ技術の成果発表頭蓋骨にデバイス
https://media.dglab.com/2020/08/31-afp-01-5/
https://www.youtube.com/watch?v=DVvmgjBL74w
イーロン・マスク氏が立ち上げた「ニューラリンク」のデバイスを脳に埋め込む技術を示した図。
AIが人類の脅威になることを危惧しており、人類の脳
とAIを融合することでそれを回避したい、という想い
2020/8の発表では、豚に埋め込んだデモ（リアルタ
イムにニューロン活動情報をモニタリング）を紹介。

まとめ
 知能は定義から曖昧ですが、記憶・思考については脳が中心となる精神活動です
 脳の活動は計測技術の進化で理解が進み、知能の解明にも期待できます。
（今回ふれませんでしたが医療分野の発達にも貢献）
 技術の進歩で、ヒトの知能的な行為が解明されると共に、脳の活動を人為的に
コントロールされるリスクもあるため、倫理面での考慮も今後必要になってきます。
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