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A) 理論モデルを用いて被験者のパラメータを推定した結果。罰金を支払う際にどれぐらい過去の行動まで振り返って関連付けするかを決めるパラメータ (l-) が、セロトニン不足状態で有意に小さい。これは、近い過去しか振り返って関連付けできないことを示している。 B) 推定したパラメータを用いて被験者の結果を再現した結果。セロトニン不足状態では、中盤の割合が他のセロトニン状態よりも有意に低いことをよく再現できている。

A) 理論モデルを用いて被験者のパラメータを推定した結果。罰金を支払う際にどれぐらい過去の行動まで振り返って関連付けするかを決めるパラメータ (l-) が、セロトニン不足状態で有意に小さい。これは、近い過去しか振り返って関連付けできないことを示している。 B) 推定したパラメータを用いて被験者の結果を再現した結果。セロトニン不足状態では、中盤の割合が他のセロトニン状態よりも有意に低いことを再現できている。

引用元: 報道資料.　衝動性が生みだす社会問題を脳科学から解明へ 〜痛い目にあっても学習できないのはなぜ？〜

Saori C.Tanaka、Kazuhiro Shishida Nicolas、Schweighofer、Yasumasa Okamoto、Shigeto Yamawaki、Kenji Doya
Serotonin affects association of aversive outcomes to past actions.

結果と過去の行動を正しく関連付けできるかは、将来の出来事を予測して正しい行動をとる能力と深く関連している。大阪大学・社会経済研究所の田中沙織特任准教授らのグループは、セロトニンの機能が低下した状態では、損失とその原因となる行動との間に、時間が経つと学習が遅れることを明らかにした。

この結果は、毎年夏休みの最後の日に苦労してたまった宿題を片付けるといった行動や、返済で苦しんでも懲りずに借金をしてしまうといった行動のような、「何度痛い目にあってもなかなか学習できないといった問題行動に関する脳機構の解明につながる可能性がある」とし、「さらには、脳科学の視点から、多重債務などの社会問題の予防法や解決策を見出すことが期待される」という。

研究グループはまず先行研究として、セロトニンの機能が低下すると、遠い将来の利益まで視野に入れて予測できなくなることを明らかにした。また、機能的磁気共鳴画像法 (fMRI) を用いた実験によって、セロトニンレベルによって大脳基底核の入力部にあたる線条体の、異なる場所が活動することによって、衝動的な行動が起こることを示唆する結果を得ていた。

そこでこの研究では、セロトニンがどれぐらい過去の行動までさかのぼって関連付けするかにどう関わっているかを調べるために、被験者の脳内セロトニンレベルを調節して、過去の行動と関連付けをしないと解けない問題を解いているときの学習の違いを調べた。そのために研究グループではセロトニンの前駆物質であるトリプトファンの経口摂取量を変化させることで、被験者の脳内のセロトニン活性を、不足、通常、過剰の3状態に調節し、コンピューターゲームを解いているときの行動を調べた。

このゲームでは、画面上に2つの図形が提示され、そのどちらかをボタンを押して選ぶと、図形によって異なる金額の賞金か罰金 (10円、40円、-10円、-40円) が、異なる時間遅れで与えられる。図形は8種類。ゲーム開始時点では被験者は、どの図形が何を意味するかは知らない。試行錯誤のうちにより多くの報酬を得て、より少ない罰金を払う行動を学習する。

21人の被験者（男性、右利き）は、1週間の間隔をあけて合計3日間実験に参加した。660回の選択の経過を解析した結果、少ない罰金を支払う図形と大きな罰金を支払う図形の選択問題において、セロトニン不足状態では、罰金を約10秒後（他の3つの図形のペアの選択の後）に差し引かれた場合に、より少ない罰金を選ぶ学習が、他のセロトニン状態に比べて遅いことが明らかになった。一方、罰金の代わりに賞金がもらえる図形の選択問題では、セロトニンの状態は学習に影響しなかった。

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A) 各試行の流れ。画面に2つのフラクタル図形が表示される。ビープ音でどちらかの図形をボタンで選択すると、選択した図形に赤枠が表示され、金額が表示される。 B) 8種類の図形の金額と、金額が表示される時間遅れの関係。被験者によって、また実験日によって異なる図形のセットを用いた。 C) 金額が表示される時間遅れを説明。すぐに表示される図形を選ぶと (t+1回目、t+2回目)、金額はその試行内に表示される。3回後に表示される図形を選ぶと (t回目)、3回後の試行 (t+3回目) で表示される。その際にすぐに表示される図形を選ぶと、その合計が表示される (t+3回目)。

賞金同士の選択でより多い賞金を選ぶ割合と、罰金同士の選択でより少ない賞金を選ぶ割合。学習が進むほど、割合は1に近づく。3回後に表示される罰金同士の選択で、セロトニン不足状態では、中盤の割合が他のセロトニン状態よりも有意に低い。これは、学習が遅れていることを示している。

賞金同士の選択でより多い賞金を選ぶ割合と、罰金同士の選択でより少ない賞金を選ぶ割合。学習が進むほど、割合は1に近づく。3回後に表示される罰金同士の選択で、セロトニン不足状態では、中盤の割合が他のセロトニン状態よりも有意に低い。これは、学習が遅れていることを示している。

強化学習

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線条体―神経科学の基礎と臨床〈2〉 (神経科学の基礎と臨床 (2))

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