Variations of response time in a selective attention task are linked to

医療情報システム研究室
NIRS 認知負荷班
【文献調査】
Variations of response time in a selective attention task
are linked to variations of functional connectivity in the
attentional network
木村茜
廣安知之
山本詩子
2014 年 12 月 16 日
1
タイトル
注意ネットワーク内の機能的結合の変化は選択的注意タスクにおける応答時間の変動に関連している
2
著者
Jerome Prado, Joshua Carp and Daniel H. Weissman.
3
出典
NeuroImage, Volume 54, Issue 1, January 2011, Pages 541-549
4
アブストラクト
一般的に，特定の実験条件内での応答時間（RT）変化は無視されるが，それらは認知および神経プロセスの効
率の重要な変化を反映することがある．本研究では，クロスモーダル選択的注意タスクにおける応答時間（RT）
の trial-by-trial な変化が，注意基盤と考えられている脳領域間の機能的結合の変化と関連しているかどうかを調
べた．機能的磁気共鳴画像（fMRI）を用いて，健康な若年成人 16 名が無関係の聴覚刺激を無視，関係する視覚刺
激に注意する視聴覚選択的注意課題を行う際の脳活動を記録する．予測に沿って，RT の変動は，右背外側前頭前
皮質や後部両側頭頂皮質のような注意制御の基盤に位置する様々な脳部位と前帯状皮質の間の機能的結合の変化
と関連していた．それらはまた，関連モダリティである視覚皮質において，解剖学的に初期の領域と解剖学的に
高次の領域の間の機能的結合の変動に関連し，その伝達は注意制御処理により調節されると考えられる．選択的
注意課題における RT の変動は注意ネットワークにおける機能的結合の変動に関連することを明らかにすること
により，本調査結果は注意の変動が行動パフォーマンスの trial-by-trial の変動に寄与する可能性を示唆している．
5
キーワード
Attention, Visual, Auditory, Functional connectivity, fMRI and Response time.
6
参考文献
• ヒトの行動原理は，一連の同じ行動の中でさえ，この一瞬から次の一瞬までにかなり変化する．一般的には
“noise” のせいにするが，そのような変動は課題成績の基盤となる認知効率や神経プロセスの重大な機能を反
映していると次第に考えられてきている．
・M.A. Bellgrove, R. Hester, H. Garavan, The functional neuroanatomical correlates of response variability:
evidence from a response inhibition task, Neuropsychologia, 42 (2004), pp. 1910-1916
・F.X. Castellanos, E.J. Sonuga-Barke, A. Scheres, A. Di Martino, C. Hyde, J.R. Walters, Varieties of
attention-deficit/hyperactivity disorder-related intra-individual variability, Biol. Psychiatry, 57 (2005), pp.
1416-1423
・S.J. Gilbert, J.S. Simons, C.D. Frith, P.W. Burgess, Performance-related activity in medial rostral prefrontal cortex (area 10) during low demand tasks, J. Exp. Psychol. Hum. Percept. Perform., 32 (2006),
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1
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・D.H. Weissman, K.C. Roberts, K.M. Visscher, M.G. Woldorﬀ, The neural bases of momentary lapses in
attention, Nat. Neurosci., 9 (2006), pp. 971-978
• 選択的注意課題における応答時間（RT）の過度な変動は前頭葉の損傷、注意欠陥多動性障害（ADHD）、睡
眠欠乏、または高齢の人々の注意制御の問題を反映すると考えられている。
・D.T. Stuss, K.J. Murphy, M.A. Binns, M.P. Alexander, Staying on the job: the frontal lobes control
individual performance variability, Brain, 126 (2003), pp. 2363-2380
・F.X. Castellanos, E.J. Sonuga-Barke, A. Scheres, A. Di Martino, C. Hyde, J.R. Walters, Varieties of
attention-deficit/hyperactivity disorder-related intra-individual variability, Biol. Psychiatry, 57 (2005), pp.
1416-1423
・M.W. Chee, J.C. Tan, H. Zheng, S. Parimal, D.H. Weissman, V. Zagorodnov, D.F. Dinges, Lapsing
during sleep deprivation is associated with distributed changes in brain activation, J. Neurosci., 28 (2008),
pp. 5519-5528
・R. West, K.J. Murphy, M.L. Armillo, F. Craik, D.T. Stuss, Lapses of intention and performance variability
reveal age-related increases in fluctuations of executive control, Brain Cogn., 49 (2002), pp. 402-419
• RT の変動の心理的・神経学的な源を理解することは，理論・臨床の両方の観点から重要である．そして，選
択的注意を要する課題の施行において注意変化が RT の変動に寄与するかどうかを調査するために，機能的
磁気共鳴画像法（fMRI）が用いられる．
・M.W. Chee, J.C. Tan, H. Zheng, S. Parimal, D.H. Weissman, V. Zagorodnov, D.F. Dinges, Lapsing
during sleep deprivation is associated with distributed changes in brain activation, J. Neurosci., 28 (2008),
pp. 5519-5528
・D.H. Weissman, K.C. Roberts, K.M. Visscher, M.G. Woldorﬀ, The neural bases of momentary lapses in
attention, Nat. Neurosci., 9 (2006), pp. 971-978
・D.H. Weissman, L.M. Warner, M.G. Woldorﬀ, Momentary reductions of attention permit greater pro-
cessing of irrelevant stimuli, Neuroimage, 48 (2009), pp. 609-615
• (1) RT の増加は，背外側前頭前皮質（DLPFC）と前帯状皮質（ACC）のような注意制御の基盤と考えられ
ている脳領域における prestimulus 活動の減少に関連していた．
・M.W. Chee, J.C. Tan, H. Zheng, S. Parimal, D.H. Weissman, V. Zagorodnov, D.F. Dinges, Lapsing
during sleep deprivation is associated with distributed changes in brain activation, J. Neurosci., 28 (2008),
pp. 5519-5528
・D.H. Weissman, K.C. Roberts, K.M. Visscher, M.G. Woldorﬀ, The neural bases of momentary lapses in
attention, Nat. Neurosci., 9 (2006), pp. 971-978
• (2) RT の増加は，ある程度，関連する刺激の感覚処理を高め，無関係な刺激の感覚処理を制限することへの
注意欠陥が反映されていると示唆した上で，(a) 刺激関連の処理を行う感覚領域の活動減少と (b) 無関係な刺
激の処理を行う感覚領域の活動増加と関連していた．
・D.H. Weissman, L.M. Warner, M.G. Woldorﬀ, Momentary reductions of attention permit greater pro-
cessing of irrelevant stimuli, Neuroimage, 48 (2009), pp. 609-615
• (3) RT の増加は ACC と DLPFC の両方の大きな刺激誘発活動に関連しており，おそらくは感覚野から関連
刺激の低質の知覚表現を受け取った結果として，これらの領域で処理要求が増加したことを示唆している．
・M.W. Chee, J.C. Tan, H. Zheng, S. Parimal, D.H. Weissman, V. Zagorodnov, D.F. Dinges, Lapsing
during sleep deprivation is associated with distributed changes in brain activation, J. Neurosci., 28 (2008),
pp. 5519-5528
・M.W. Chee, J.C. Tan, Lapsing when sleep deprived: neural activation characteristics of resistant and
vulnerable individuals, Neuroimage, 51 (2010), pp. 835-843
・D.H. Weissman, K.C. Roberts, K.M. Visscher, M.G. Woldorﬀ, The neural bases of momentary lapses in
2
attention, Nat. Neurosci., 9 (2006), pp. 971-978
• (1)-(3) の知見は，注意変動は選択的注意課題における RT の変動に貢献するという我々の仮説を支持する．
・D.H. Weissman, K.C. Roberts, K.M. Visscher, M.G. Woldorﬀ, The neural bases of momentary lapses in
attention, Nat. Neurosci., 9 (2006), pp. 971-978
・D.H. Weissman, L.M. Warner, M.G. Woldorﬀ, Momentary reductions of attention permit greater processing of irrelevant stimuli, Neuroimage, 48 (2009), pp. 609-615
• 先行研究の主要な欠点は，選択的注意課題における RT 変動が注意処理を支える脳領域間の機能的結合の変
動と関連しているかどうか調査しなかったことである．以前の発見では，注意プロセスが採用されない時に
比べ採用されるときに，ACC と DLPFC がより活性するだけでなく，より機能的に結合することを示し，脳
領域間の相互作用が注意に重大な貢献を行うという見解と一致している．
・M.P. Milham, M.T. Banich, A. Webb, V. Barad, N.J. Cohen, T. Wszalek, A.F. Kramer, The relative
involvement of anterior cingulate and prefrontal cortex in attentional control depends on nature of conflict,
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・L. Pessoa, E. Gutierrez, P. Bandettini, L. Ungerleider, Neural correlates of visual working memory: fMRI
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・E.K. Miller, J.D. Cohen, An integrative theory of prefrontal cortex function, Annu. Rev. Neurosci., 24
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・M.I. Posner, S.E. Petersen, The attention system of the human brain, Annu. Rev. Neurosci., 13 (1990),
pp. 25-42
• これらの予測を調査するために，我々は fMRI を用いて脳活動を記録しながら，被験者に視聴覚選択的注意課
題を実施した．各課題では，被験者は関連視覚刺激を識別子，無関連聴覚刺激を無視した．視覚と聴覚から
来る感覚情報は異なる脳領域で処理されるため，この課題は無関連の聴覚野から関連の視覚野を区別するこ
とができた．そして，trial-by-trial に基づく RT の機能的結合の変動について新規調査を行うことによって，
RT 変動についての予測を分析した．本発見では予測を確認し，我々の日常経験を特徴づける RT の経時的な
変動は機能的結合の変動に対応することによって映し出されることが初めて示された．
• 各施行において，各種課題に対応する平均値から標準偏差が 3 倍以上の RT(すなわち外れ値) は，行動デー
タ・fMRI データから除外して解析した (全体の 2.00%)．エラーも分析から除外した (全体の 1.25%)
• BOLD 活動が標準的な血行動態応答関数（HRF）を仮定せずにモデル化されたとき，刺激誘発 BOLD 活動と
RT との関係は一般的に線形である．
・M.W. Chee, J.C. Tan, H. Zheng, S. Parimal, D.H. Weissman, V. Zagorodnov, D.F. Dinges, Lapsing
during sleep deprivation is associated with distributed changes in brain activation, J. Neurosci., 28 (2008),
pp. 5519-5528
• しかし，本研究のように標準的な HRF を仮定した場合にも線形関係が成立するかどうか不明である．した
がって RT 変動と刺激誘発 BOLD 活動の関係（例えば，線形，二次，四次）の性質を決定するために多項式
回帰手法を用いた．具体的には，voxel ごとに，脳応答 (y) を一般線形モデルによってモデル化した．
y = α0 + α1 (RT − RT ) + α2 (RT − RT )2 + α3 (RT − RT )3 + α4 (RT − RT )4 + β0 + ϵ
3
• 精神生理学的相互作用（PPI）を解析を用いて機能的結合についての仮説を検証した．
・K.J. Friston, C. Bueschel, G.R. Fink, J. Morris, E. Rolls, R.J. Dolan, Psychophysiological and modulatory
interactions in neuroimaging, NeuroImage, 6 (1997), pp. 218-229
・D.R. Gitelman, W.D. Penny, J. Ashburner, K.J. Friston, Modeling regional and psychophysiologic in-
teractions in fMRI: the importance of hemodynamic deconvolution, Neuroimage, 19 (2003), pp. 200-207
• PPI のような分析は，実験パラメータに応じて脳領域間の相互作用が変化するかどうかを評価する．より具
体的には，活性が心理的要因の異なるレベルにわたり種々領域の活性で多かれ少なかれ共に変動する脳領域
を識別する．
・K.J. Friston, C. Bueschel, G.R. Fink, J. Morris, E. Rolls, R.J. Dolan, Psychophysiological and modulatory
interactions in neuroimaging, NeuroImage, 6 (1997), pp. 218-229
・D.R. Gitelman, W.D. Penny, J. Ashburner, K.J. Friston, Modeling regional and psychophysiologic inter-
actions in fMRI: the importance of hemodynamic deconvolution, Neuroimage, 19 (2003), pp. 200-207
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