2010年度 森泰吉郎記念研究振興基金

研究者育成費(博士) 活動報告書 

慶應義塾大学大学院 政策・メディア研究科 博士課程2年 辰巳 奈央 (石崎研究室所属)

研究題目

概念連想関係に注目した言語理解の脳機能計測と応用

本研究では光脳機能計測(NIRS; Near Infra-Red Spectroscopy)を用いて自然言語の認知・処理過程における脳内活動を評価し,そこで得られたデータを分析することで,人間の脳内での言語理解のプロセスモデルを構築することを目標としている.

NIRS装置では,近赤外線を頭皮から照射し脳皮質の毛細血管内の血液が光に散乱反射する現象を検出する.酸化型・脱酸化型ヘモグロビンの光吸収係数の違いより酸素交換の現場をほぼリアルタイムで計測でき,神経活動が生じた(思考や発話で酸素が消費された)部位とその時系列変化の検出が可能とされている.本研究では脳内で語が処理される時系列変化の検出を大きな目標としており,空間分解能とリアルタイム性が重要であるため NIRS はこの研究に適した計測方法だと言える.

従来から行われている人間の脳内での言語処理の研究では,単語の属性や単語間の概念関係に注目した脳科学的研究が少なかった.しかしながら私達が日常使っている単語には上位や下位,属性や場所といった概念関係が存在しており,言語認知に重要な役割を果たしている.本研究では昨年度までも研究を続けている「語と語の概念関係に注目した単語・文理解の脳内処理」について,光脳機能計測装置(NIRS-Imaging)を用いた更なる計測実験・解析等を行いながら研究を進めた.

研究活動

例年は計測装置会社の協力を得て,レンタル装置の予約が入っていない期間に運送費実費のみでキャンパス内に搬入させてもらい,春学期は主に計測装置を用いた実験,秋学期はデータ解析を行うというスケジュールで研究を進めていた.しかしながら今年度は期間調整が上手くいかなったため,他キャンパス(三田GCOE実験室)や研究協力機関での計測実験を行った.また解析方法のディスカッションを定期的に共同研究先に出向いて行った. なお三田GCOEでの実験は別途,三田キャンパスの実験倫理委員会の承認を受けて行っている.

計測実験

昨年度に行った関連実験による結果から実験計画を検証し,予備実験と本実験を行った.

データ計測

データ解析

計測で得たデータの解析を随時行った.解析のステップは以下の通りである.

学会活動

LREC2010での発表

学会・研究会への参加

そのほか,国内学会や研究会へ参加し,最新研究動向調査並びに発表者や参加者とのディスカッションを行った.以下は抜粋である.

NIRSシンポジウムへの参加

研究に使用しているNIRS装置製造元主催のセミナー/シンポジウムに参加した.

YRRSDSでのローカルオーガナイザ

国際会議に合わせて開かれた若手研究者発表会でローカルオーガナイザをつとめた.

研究進捗

実験内容

本研究では健常成人を対象に,被験者に対し刺激語として単文および単語ペアを提示し,判断課題中の脳内での酸素交換機能の活動を計測する実験を行った.概念連想関係に注目した刺激単語・文の提示を実現するために,実験刺激として連想概念辞書を用いた実験をデザインした.
連想概念辞書とは連想実験で大量に収集した連想語を構造化した辞書で,刺激語と連想語との距離を定量化したものである.連想概念辞書は他の辞書と比べて語と語の関係に注目している点で本研究に適していると言える.

実験

NIRSを用いた計測実験・解析により,人間が言語を認知する際に重要と考えられる 「語と語の概念連想関係」 と脳反応の関係を検討するために,単文および単語ペアの視覚提示実験を行った.

データの計測

実験被験者はSFC 所属の学生とし,測定と発表等に関しては慶應義塾大学SFC 実験・調査倫理委員会および三田キャンパスの倫理委員会によって承認された手続きに基づき,文書で了承を得た後に行った.計測装置は原則として島津製作所のFOIRE(NIRStation)を使用した.実験によっては日立メディコETG-7000も用いている.計測範囲は,両側の前頭葉後部から側頭葉(BA44 からBA22 後部)を広くカバーする範囲を計測した.

実験結果

連想距離別の解析では,特に左側後半のBA22(ウェルニッケ野)周辺deoxy-Hbデータおいて統計的に有意な差が多く見られた.特に動詞のタスクにおいては,連想距離が短い群と最長群のデータ間で有意差があることが示唆された. 連想距離の長短と脳活動の関係を更に検討するために,同一単語に対して,連想距離の近い試行群と遠い試行群でpaired-t検定を行ったところ,連想距離が近い方が酸素を消費することが分かり,特にBA44周辺において顕著であった.

筆者はこれまでの研究において,単語・文認知の実験の発展から,より高度で人間の日常の認知の状態に近い実験へと移行してきた.単語を短時間視覚提示する実験を行った結果,短時間提示刺激に対する脳活動の検出が可能なことと,連想概念辞書から抽出した単語の組み合わせを用いて概念連想の違いにおける脳活動検出に統計的有意差を見いだせる可能性が示唆された.本年度の結果について春期休業中・来年度に掛けてより詳細な解析を続け,モデルへの応用を一段と進める方向性が得られた.

今後の研究予定

連想概念辞書とNIRSデータの関係性 -Computational Neurolinguistic-

本年度はNAACL-HLT 2010において,言語資源・コーパスと脳内反応の対応づけを試みる研究のワークショップが初めて行われた(Computational Neurolinguistics).石崎研究室では心理学・計算機科学的手法を用いた連想概念辞書研究が行われているが,それに対する脳科学的な検討は行われてきておらず,脳科学的アプローチや本研究分野の更なる発展が期待されてきた.該当ワークショップで発表されていた研究はfMRIデータやEEG/ERPデータに関するものが殆どであるが,コーパスから選んだ言語刺激を与えた際のfMRIデータを学習して未実験刺激に対するfMRIデータをコーパス上の属性から推測するという先行研究もあり,NIRSに応用した形で検証出来るかの調査・実験研究を続ける予定である.
またこれと合わせて,時系列データの解析結果を分かりやすくマッピングする方法も考えたい.

他刺激への応用

本研究では単語と単語の関係を重視する立場から連想概念辞書を使ったが,連想概念辞書の有用性の検討という意味で,親密度データなどの他の辞書との比較も面白いと考えている.
また今回の実験では日本語のみを刺激語としたが,同デザインで外国語の実験も考えられる.例えば,日本語・英語刺激文に関して実験することで,これらの文を処理している時の脳内活動,また英語習熟度による違いを検出出来る.概念関係に注目して単語の繋がりを捉えることで効果的な文・単語の提示法を考え,教育への応用が期待出来る.

他計測手法の併用

5月に参加したLREC2010でのディスカッションにおいて,アイカメラやEEGなど他の計測手法との併用による追実験を提案された.計測方法の違いにより刺激提示方法を変更するなどの工夫が必要となるが,検討したいと考えている.特に同時計測が可能な方法に関しては積極的に取り入れたいと考えている.