複雑な決定を下すとき、私たちは多くの場合、問題を一連の小さな決定に分解します。例えば、患者の治療法を決める際、医師は診断検査の選択、結果の解釈、そして薬の処方といった一連の段階を経ることがあります。
選択の連続が望ましい結果につながる場合、階層的な意思決定は単純です。しかし、結果が好ましくない場合には、何が間違っていたのかを読み解くのが難しくなります。例えば、治療後も患者の状態が改善しない場合、その理由は多岐にわたります。診断検査の精度が75パーセントにすぎないのかもしれませんし、薬が患者の50パーセントにしか効かないのかもしれません。次に何をすべきかを決めるには、医師はこうした確率を考慮に入れなければなりません。
新たな研究で、MITの神経科学者たちは、一連の階層的な意思決定の後に、脳が失敗の起こりうる原因についてどのように推論するのかを調べました。その結果、脳は前頭皮質の分散したネットワークを用いて2つの計算を行っていることが明らかになりました。第一に、脳は各決定の結果に対する確信度を算出し、失敗の最も可能性の高い原因を特定します。第二に、原因を容易に特定できない場合には、脳はさらなる試行を重ね、確信度を高めようとします。
「頭の中で階層を構築し、結果について推論しながらその階層を辿ることは、認知神経科学におけるエキサイティングなフロンティアの一つです」と、MITのマクガバン脳研究所のメンバーであり、本研究の責任著者であるロバート・A・スワンソン生命科学キャリア開発教授のメールダッド・ジャザイェリ氏は述べています。
MITの大学院生モルテザ・サラフィザド氏が、5月16日付でScienceに掲載された本論文の筆頭著者です。
階層的推論
動物モデルを用いた意思決定の先行研究は、比較的単純な課題に焦点を当ててきました。ある研究の流れは、瞬間的な証拠を評価することで脳がどのように素早く決定を下すのかに注目してきました。例えば、動物が不確実な刺激を試行ごとに分類できるようにする神経基盤とメカニズムについては、膨大な研究蓄積があります。また別の研究では、複数の試行にわたる過去の結果を頼りに、脳が複数の選択肢からどのように選ぶのかに焦点が当てられてきました。
「これらは非常に実りある研究の流れです」とジャザイェリ氏は述べています。「しかし、それらは人間が意思決定を行う際に実際に行っていることの、ほんの氷山の一角にすぎません。パートナーの選択、車の購入、この薬を服用するかどうかの判断など、実際の意思決定の場面に身を置いた途端、それらは非常に複雑な決定になります。決定に影響を与える要因は数多くあり、しかもそれらの要因は異なる時間スケールで作用することがよくあります。」
MITの研究チームは、脳が複数の時間スケールで情報をどのように処理して意思決定を行うのかを研究できる行動課題を考案しました。基本的な設計は、2つの光の点滅の時間間隔が850ミリ秒より短いか長いかに応じて、動物が2つの眼球運動のいずれかを行うというものでした。
この課題には一つの工夫がありました。どちらの眼球運動を行うべきかを決めるルールは、10回から28回の試行の後に、動物に知らされないまま切り替わるのです。そのため、報酬を得るためには、動物は正しいルールを選んだうえで、そのルールと時間間隔に応じて正しい眼球運動を行わなければなりませんでした。しかし、動物にはルールの切り替えが告げられていなかったため、誤りが、間違ったルールを選んだことによるものなのか、それとも時間間隔を誤って判断したことによるものなのかを、単純に見分けることはできませんでした。
研究者たちは、この実験設計を用いて、階層的推論を支える計算原理と神経メカニズムを探りました。人間を対象とした理論研究や行動実験によれば、誤りの潜在的な原因についての推論は、そのプロセスの各段階における確信度を測定する脳の能力に大きく依存するとされています。「階層的推論にとって重要だと考えられていることの一つは、[階層の]異なるノードのいずれかが否定的な結果を招いた可能性がどの程度あるのかについて、ある程度の確信を持つことです」とジャザイェリ氏は述べています。
研究者たちは、課題の難易度を調整することで、確信度の影響を調べることができました。一部の試行では、2つの点滅の時間間隔が850ミリ秒よりもはるかに短いか長いものでした。こうした試行は比較的容易で、高い確信度が得られました。他の試行では、時間間隔が境界に近く、判別が難しかったため、動物は判断に対する確信度が低くなりました。
研究者たちが仮説を立てていたとおり、動物の行動は自身の成績に対する確信度に影響されていることが分かりました。時間間隔が判断しやすい場合、動物は誤りに気づいたときに、別のルールへ非常に素早く切り替えました。時間間隔が判断しにくい場合、動物は成績への確信度が低く、切り替える前に同じルールをさらに数回適用しました。
「彼らは自分に確信がないことを理解しており、確信がないときには、必ずしもルールが変わったとは限らないことも理解しています。[時間間隔の判断で]誤りを犯したかもしれないことも分かっているのです」とジャザイェリ氏は述べています。
意思決定の回路
各試行の終了直後に前頭皮質の神経活動を記録することで、研究者たちは、階層的な意思決定の鍵となる2つの領域を特定することができました。前帯状皮質（ACC）および背内側前頭皮質（DMFC）として知られるこれら両方の領域は、動物に誤った反応が知らされた後に活動することが分かりました。研究者たちが神経活動を動物の行動と関連づけて分析したところ、両領域のニューロンが、ルールが切り替わった可能性についての動物の信念を伝達していることが明らかになりました。特に、易しい試行の後で誤りを犯した場合や、連続して誤りを犯した場合には、動物の信念に関連する活動がより「大きく」なりました。
研究者たちはまた、これら2つの領域が類似した活動パターンを示す一方で、特にACCの活動が、動物がいつルールを切り替えるかを予測していたことも明らかにしました。このことは、ACCが意思決定の戦略を切り替える中心的な役割を担っていることを示唆しています。実際に、研究者たちは、ACCの神経活動を直接操作すると、動物の合理的な行動が妨げられることも確認しました。
「前頭皮質には、これら2つの領域を含む分散型の回路が存在し、課題が要求するとおり、それらは階層的に組織されているように見えます」とジャザイェリ氏は述べています。
イェール大学医学部の神経科学、心理学、精神医学の教授であるダエヨル・リー氏は、本研究が、この種の意思決定の研究における大きな障壁を克服したと述べています。その障壁とは、単一ニューロンレベルで脳活動の動態を研究するための動物モデルが不足していたことです。
本研究には関わっていないリー氏は、次のように述べています。「サラフィザド氏とジャザイェリ氏は、動物に複数の種類の証拠を評価させる、優れた意思決定課題を開発し、内側前頭皮質にある2つの独立した領域が、意思決定における異なる種類の誤りの処理にどのように重要な役割を果たしているかを明らかにしました。この研究は、厳密さと創造性の両面で見事な業績であり、前頭前野についての謎の、また一つの層をはぎ取るものです。」
