脳科学と知能

5月 31, 2021admin

Brain volumeEdit

知能と脳の関係を確立するために用いられる主な方法の1つは、Brain volumeの測定値を用いることである。脳の体積を推定する初期の試みは、脳の大きさの代理として、頭囲などの頭の外部パラメータの測定値を使用して行われました。最近では、死後の脳の重量や体積を測定して、この関係を研究する方法が採用されている。これらにはそれぞれ限界と長所がある。

全体として、脳の大きさと体積は、より良い認知機能とより高い知能と関連しています。

全体として、脳の大きさと体積は、より良い認知機能とより高い知能と関連しています。体積と知能の間に最も強い相関を示す特定の領域は、脳の前頭葉、側頭葉、頭頂葉です。多くの研究が行われ、一様に正の相関が見られたことから、脳が大きければ知能も高いという一般的に安全な結論が導き出された。健康な成人において、質の高い検査を用いた場合、脳の総体積とIQの相関は約0.4である。英国バイオバンクを用いた大規模な研究（n = 29k）では、0.275の相関が見られた。この関係の強さは性別によらず、以前のいくつかの研究とは矛盾するものであった。 2つの中規模サンプルで行われた兄弟計画を用いた研究では、効果量0.19で因果関係を示す証拠が見つかった。

脳容積よりも小さいスケールでの変動については、あまり知られていない。 McDanielによるメタ分析レビューでは、知能と生体内脳サイズの相関は、男性（0.25）よりも女性（0.40）の方が大きいことが判明した。また、同じ研究で、脳の大きさと知能の相関は年齢とともに増加し、子どもでは相関が小さくなることがわかった。脳の大きさと知能の高さの関連は、特定の脳領域における変動に関連していることが示唆されており、全脳的な測定はこれらの関連性を過小評価することになる。一般的な知能よりもっと特殊な機能については、局所的な効果がより重要である可能性がある。例えば、新しい単語を学習する青少年において、語彙の増加は両側の後部上坐骨回における灰白質密度と関連していることを示唆する証拠がある。小規模な研究では、新しい身体的スキル(ジャグリング)の開発に関連した灰白質の一過性の変化が示されています(後頭側頭葉皮質)

脳容積は知能を完全に説明するものではありません。脳容積が説明する分散の量は、測定された知能の種類にも依存する可能性があります。言語性知能の分散の最大36％が脳容積で説明できる一方、視空間性知能の分散の約10％しか脳容積で説明できない。研究者スチュアート・J・リッチーによる2015年の研究では、脳の大きさは個人間の知能の分散の12％を説明することがわかりました。これらの注意点は、脳の大きさとは別に、個人の知能の高さに影響を与える主要な要因があることを示唆しています。 88の研究からなる大規模なメタ分析において、Pietschnigら（2015）は、脳容積と知能の相関を相関係数0.24程度と推定し、これは6%の分散に相当する。測定の質、およびサンプルの種類とIQ範囲を考慮すると、メタアナリシスによる脳体積の関連は、正常な成人では〜0.4となるようです。研究者のJakob Pietschnigは、脳容積とIQの正の相関の強さは依然として強固であるが、文献上では過大評価されてきたと主張した。彼は、「人間の認知進化や、脳の大きさと認知能力における種の違いという文脈でこの関連を解釈するのは魅力的だが、脳の大きさを人間の知能差の同型の代理として解釈するのは保証されないことを示す」と述べています

灰白質編集

灰白質は、知能差の生物学的基盤の可能性として検討されてきました。脳容積と同様に、世界的な灰白質容積は知能と正の相関があります。より具体的には，知能が高いほど，成人の前頭前野および後側頭葉の皮質灰白質が大きいことと関連している。さらに、言語的知能と非言語的知能の両方が、若い健康な成人の頭頂葉、側頭葉、後頭葉全体の灰白質体積と正の相関があることが示されており、知能が脳内の様々な構造と関連していることを示唆している。

灰白質と知能の関係には、男女間の性差もあるようである。男性は前頭葉と頭頂葉でより多くの知能と灰白質の相関を示すようですが、女性では知能と灰白質の最も強い相関は前頭葉とブローカ野で見つけることができます。

脳の領域における知能の灰白質相関を研究するために使用される特定の方法の1つは、ボクセルベース形態測定法(VBM)として知られています。 VBMでは、研究者が関心のある領域を高い空間分解能で指定できるため、知能と相関する灰白質領域をより特別な分解能で調べることができます。 VBMは、健康な成人の前頭葉、側頭葉、頭頂葉、後頭葉において、灰白質と知能の正の相関を示すのに利用されている。また、55人の健康な成人のグループにおいて、前頭前野の内側領域と背内側前頭前野の灰白質体積が知能と正の相関があることを示すためにVBMが使用されたことがある。また、VBMは、5歳から18歳の子供における前帯状回の灰白質体積と知能との正の相関を確立するためにうまく使用されています。 Reisらは、前頭前野の灰白質が5歳から17歳の子どもの知能の分散に最も強固に寄与し、皮質下の灰白質は知能とあまり関係がないことを発見している。 Frangouらは、12歳から21歳の子供と若年成人を対象に灰白質と知能の関係を調べたところ、前頭葉眼窩皮質、帯状回、小脳、視床の灰白質は知能と正の相関があり、尾状核の灰白質は知能と負の相関があることを見出した。

灰白質体積と知能の関係に関する研究の根底にある注意点は、神経効率の仮説によって示されています。

知能の高い人ほどニューロンの使用効率が高いという調査結果は、灰白質と知能の相関が、使われていないシナプスの選択的排除、つまりより優れた脳回路を反映していることを示すかもしれません。白質は主に有髄神経細胞の軸索で構成され、神経細胞間の信号伝達を担っています。白質のピンクがかった白色は、実際には、他の神経細胞に信号を送信している神経細胞を電気的に絶縁する、このミエリン鞘の結果なのです。白質は、大脳の灰白質の異なる領域同士をつないでいます。このような相互接続により、輸送がよりシームレスになり、タスクをより簡単に実行できるようになるのです。脳梁の大きさは認知能力と正の相関があるため、知能と脳梁の間に有意な相関があることが分かっている。しかし、言語的知能と非言語的知能では、白質に対する重要性に違いがあるようです。言語的知能と非言語的知能の指標はともに脳梁の大きさと正の相関がありますが、知能と脳梁の大きさの相関は、言語的指標のそれ（.18）に比べて非言語的指標の方が大きい（.47）ことが分かっています。

白質の完全性もまた、知能に関連していることが分かっています。白質路の完全性は情報処理速度に重要であり、したがって白質路の完全性が低下すると知能が低下する。白質インテグリティの効果は、情報処理速度によって完全に媒介される。

以上の知見に反して、VBMでは健康な成人において脳梁と知能の関係を見出すことができなかった。この矛盾は、白質体積と知能の関係が、灰白質と知能の関係ほど強固ではないことを意味すると見ることができます。

皮質の厚さ編集

皮質の厚さも、ヒトにおける知能と正の相関があることが分かっています。しかし、皮質の厚さの成長速度も知能に関係している。幼児期には皮質の厚さは知能と負の相関を示すが、幼児期後半には正の相関に転じている。知能の高い子どもは、低い子どもよりも皮質の厚さをより安定的に、より長い期間にわたって成長させることが明らかになりました。皮質の厚さは、個人間の知能のばらつきの5％を説明することが研究で明らかにされています。異なるグループの人々の間で皮質の厚さと一般的な知能との関連を見つけるために行われた研究では、性別は知能に影響を及ぼさなかった。

Cortical convolutionEdit

皮質の畳み込みは、人類の進化の過程で、脳の表面の折り畳みを増加させました。皮質の高度な畳み込みは、人間の脳の最も特徴的な認知能力のいくつかをサポートする神経学的基盤であるかもしれないという仮説が立てられている。その結果、ヒトという種における個々の知能は、皮質の畳み込みの程度によって調節されているのかもしれません。

2019年に発表された分析では、677人の子供と思春期（平均年齢12歳）の輪郭が明らかになりました。72歳）の脳では、IQと左脳の上鋸歯状回の表面積の間にほぼ1の遺伝的相関がありました

Neural efficiencyEdit

神経効率仮説は、グルコース代謝で測定したように、より知的な人は認知タスク中に脳内の活性化をあまり示さないと仮定しています。参加者の小さなサンプル (N=8) は、PET スキャンで測定したところ、知能と絶対領域代謝率の間に、-0.48 ～ -0.84 の負の相関を示し、明るい人はより少ないエネルギーを使うので、より効果的に情報を処理できることが示されました。 Neubauer & Finkによる広範囲にわたるレビューによると、PETスキャン、EEG、fMRIなどの方法を用いた多くの研究（N=27）がこの発見を確認しています。

fMRIとEEGの研究により、課題の難しさが神経効率に影響を与える重要な要因であることが明らかになっています。

fMRIやEEGの研究により、課題の難しさが神経効率に影響を与える重要な要因であることが明らかになった。より知的な人は、主観的に簡単から中程度の難しさの課題に直面したときのみ神経効率を示し、難しい課題では神経効率を見出すことができない。実際、能力の高い人ほど、難易度の高い課題に皮質資源をより多く投入しているように見える。特に前頭前野は、知能が高い人ほど難易度の高い課題において活性化することが分かっています。

さらなる研究

科学者の中には、機能がわかっている測定可能な領域のサイズに関連する、より定性的な変数に注目することを好む人もいます。

「Avon Longitudinal Study of Parents and Children」コホートの633人の期産児の頭の成長に関する研究では、出生前の成長と乳児期の成長が、その後のIQと関連していることが示されました。この研究の結論は、子供が1歳までに達成した脳の体積が、その後の知能を決定するのに役立つというものだった。

IQと近視の間には関連性があります。

IQと近視には関連があり、1つまたは複数の多面的遺伝子が脳の新皮質部分と目の大きさに同時に影響を与えるという説明もあります。 Parieto-frontal integration theory

2007年、Behavioral and Brain Sciencesは、査読済みの37の神経画像研究に基づいて、知能の生物学的モデルを打ち出した目標論文を発表しました (Jung & Haier, 2007)。機能的イメージング（機能的磁気共鳴イメージングとポジトロン放射断層法）と構造的イメージング（拡散MRI、ボクセルベース・モルフォメトリ、in vivo磁気共鳴分光法）からの豊富なデータの彼らのレビューは、人間の知能が前頭葉と頭頂葉の脳領域から成る分散し統合された神経ネットワークから生じると主張している。

Barbeyらが行った最近の病変マッピング研究は、知能のP-FIT理論を支持する証拠を提供しています。

脳の片側に孤立した幼少期の脳損傷は、通常、知的機能を比較的免れ、IQが正常範囲にあることをもたらします。