音楽と言語の時間的ダイナミクス

音楽と言語の時間的ダイナミクスは、脳が音楽や音声を処理するために、脳の様々な領域をどのように連携させるかを説明します。音楽と言語はどちらもリズムと旋律の構造を特徴としています。どちらも、音色や単語などの限られた基本要素を規則的に組み合わせることで、完全な音楽的または言語的アイデアを生み出します。

言語と音楽の神経解剖学

脳の主要領域は、音楽処理と言語処理の両方に利用されています。例えば、言語の生成と理解を司るブローカス野などです。ブローカス野に損傷のある患者は、文法が不明瞭で、発話が遅く、文章の理解力が低いことがよくあります。下前頭回は前頭葉の回であり、特に動詞の理解において、タイミングや読解に関与しています。ウェルニッケ野は上側頭回の後部に位置し、語彙や書き言葉の 理解に重要です。

一次聴覚皮質は大脳皮質の側頭葉に位置します。この領域は音楽処理において重要であり、音の高さと音量を決定する上で重要な役割を果たします。[ 1 ]この領域に脳損傷が生じると、多くの場合、音を全く聞き取れなくなります。前頭皮質は音楽のメロディーとハーモニーの処理に関与していることが分かっています。例えば、患者にリズムを刻むように指示したり、音を再現するように指示したりすると、fMRIやPETスキャンでこの領域が非常に活発に活動することが示されます。[ 2 ]小脳は頭蓋骨の後部にある「ミニ」脳です。前頭皮質と同様に、脳画像研究では小脳がメロディーの処理とテンポの決定に関与していることが示唆されています。一次聴覚皮質と共に、内側前頭前皮質も調性、つまり音の高さと音量の決定に関与していることが示唆されています。 [ 1 ]

上記の特定の領域に加えて、言語と音楽の処理においては多くの「情報スイッチポイント」が活性化しています。これらの領域は、情報を伝達する伝達経路として機能すると考えられています。これらの神経インパルスは、上記の領域が情報を正しく伝達し処理することを可能にします。これらの構造には、視床と基底核が含まれます。[ 2 ]

上記の領域の中には、PETおよびfMRI研究によって音楽処理と言語処理の両方で活性化することが示されています。これらの領域には、一次運動野、ブローカス野、小脳、一次聴覚野が含まれます。[ 2 ]

脳の活動を画像化する

時間的ダイナミクスの研究に最適な画像化技術は、リアルタイムの情報を提供します。この研究で最も多く利用されている手法は、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）とPETスキャンとして知られる陽電子放出断層撮影法です。[ 3 ]

陽電子放出断層撮影（PET）では、短寿命の放射性トレーサー同位体を血液に注入します。放射性同位体が崩壊すると陽電子が放出され、機械のセンサーで検出されます。同位体はグルコースなどの生理活性分子に化学的に組み込まれ、代謝活動のエネルギー源となります。脳の特定の領域で活動が発生すると、これらの分子がその領域に集まります。生理活性分子とその放射性「色素」の濃度が十分に高まると、スキャナーはそれを検出できるようになります。[ 3 ]脳活動が始まってからPET装置で活動が検出されるまでには約1秒かかります。これは、色素が必要な濃度に達するまでに一定の時間がかかるためです。[ 4 ]

ペット。
PETスキャンの例。

機能的磁気共鳴画像法（fMRI）は、従来のMRI画像診断装置の一種で、脳の活動をリアルタイムで観察することができます。 fMRI装置は、脳の活動に伴う神経血流の変化を検出することで機能します。 fMRI装置は、強力な静磁場を使用して脳内の原子核を整列させます。 次に、しばしば勾配磁場と呼ばれる追加の磁場を適用して、原子核をより高いエネルギー状態に上げます。[ 5 ]勾配磁場が除去されると、原子核は元の状態に戻り、エネルギーを放出します。放出されたエネルギーはfMRI装置によって検出され、画像の形成に使用されます。 ニューロンが活発になると、その領域への血流が増加します。この酸素が豊富な血液は、これらの領域の酸素が枯渇した血液と置き換わります。酸素を運ぶ赤血球内のヘモグロビン分子は、酸素化されているかどうかによって磁気特性が異なります。 [ 5 ]ヘモグロビンによって生成される磁気的擾乱の検出に焦点を合わせることで、ニューロンの活動をほぼリアルタイムでマッピングすることができます。[ 5 ]研究者が時間的ダイナミクスをリアルタイムで研究できる技術は他にほとんどありません。

メグ。
患者は「MEG」検査を受けます。

時間的ダイナミクスを解析するためのもう一つの重要なツールは、MEG（磁気脳波計）と呼ばれる脳磁図計測法です。これは、神経活動によって発生する電流によって生じる磁場を検出・記録することで、脳活動をマッピングするために使用されます。この装置は、SQUID Sと呼ばれる超伝導量子インターフェースデバイスの大規模なアレイを用いて磁気活動を検出します。人間の脳によって生成される磁場は非常に小さいため、装置全体を外部磁場から遮断するために特別に設計された部屋に設置する必要があります。[ 5 ]

その他の研究方法

言語や音楽を処理する際の脳活動を研究するもう一つの一般的な方法は、経頭蓋磁気刺激（TMS）です。TMSは、急速に変化する磁場を用いて脳内に微弱な電磁電流を発生させる誘導法です。この変化によってニューロンは脱分極または過分極します。これにより、様々な領域で活動が促進されたり抑制されたりします。これらの妨害が脳機能に及ぼす影響は、脳の相互接続性を評価するために用いられます。[ 6 ]

最近の研究

言語と音楽のメロディーの多くの側面は、同じ脳領域で処理されています。2006年、ブラウン、マルティネス、パーソンズは、メロディーや文章を聴くと、一次運動野、補足運動野、ブローカ野、前島皮質、一次聴覚野、視床、基底核、小脳など、多くの同じ領域が活性化されることを発見しました。[ 7 ]

2008年にKoelsch、Sallat、Friedericiらが行った研究では、言語障害が音楽処理能力にも影響を及ぼす可能性があることが示されました。特異的言語障害（SLI）のある子どもは、言語障害のない子どもに比べて、音を互いに合わせたり、単純なメトロノームでテンポを合わせたりすることが得意ではありませんでした。これは、言語に影響を与える神経疾患が音楽処理能力にも影響を及ぼす可能性があることを示唆しています。[ 8 ]

2001年、ウォルシュ、スチュワート、フリスは、被験者に簡単なキーボードでメロディーを作ったり詩を書いたりしてもらうことで、メロディーと言語を処理する領域を調査しました。彼らは、音楽と言語のデータが処理される部位にTMSを適用しました。その結果、左前頭葉に適用されたTMSは言語素材を書いたり生成したりする能力に影響を与え、聴覚野とブローカ野に適用されたTMSは被験者の音楽メロディーを演奏する能力を最も阻害することがわかりました。これは、音楽と言語創造の間に何らかの違いがあることを示唆しています。[ 9 ]

発達的側面

音楽と言語の処理の基本的な要素は、出生時にすでに備わっているようだ。例えば、2011年にフランスで行われた胎児の心拍をモニタリングした研究では、妊娠28週を過ぎると胎児は音楽のピッチとテンポの変化に反応することが明らかになった。ベースラインの心拍数は、刺激を与える前の2時間のモニタリングによって測定された。子宮の近くで、異なるテンポで下降する周波数と上昇する周波数の音が再生された。この研究では、異なる音節のサウンドクリップを再生するなど、言語パターンに対する胎児の反応も調査したが、異なる言語刺激に対する反応は見られなかった。高音の大きな音に対する反応では、低音の小さな音に比べて心拍数が増加した。これは、ピッチ、テンポ、音量の識別などの音処理の基本的な要素が出生時にすでに存在し、出生後に発達するプロセスが音声パターンを識別することを示唆している。[ 10 ]

2010年の研究では、言語障害のある子どもの言語能力の発達について調査されました。その結果、音楽刺激が従来の言語療法の成果を向上させることが明らかになりました。3歳半から6歳までの子どもを2つのグループに分け、一方のグループには毎回の言語療法セッションで歌詞のない音楽を聞かせ、もう一方のグループには従来の言語療法を行いました。この研究では、定期的に音楽刺激を受けたグループでは、音韻能力と子どもの言語理解能力の両方がより速く向上したことがわかりました。[ 11 ]

リハビリテーションへの応用

最近の研究では、音楽が脳に与える効果は脳障害を持つ人に有益であることがわかっています。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]ステゲメラーは、音楽療法の根本原理として、ドーパミンの増加、神経同期、そして最後に明確な信号があり、これらは正常な脳機能にとって重要な特徴であると述べています。[ 15 ]これらの効果の組み合わせが脳の神経可塑性を誘発し、個人の学習と適応の可能性を高めることが示唆されています。[ 16 ]既存の文献では、パーキンソン病、ハンチントン病、認知症などの患者に対する音楽療法の効果を検討しています。

パーキンソン病

パーキンソン病患者は、脳内ドーパミンの減少により歩行や姿勢に障害をきたします。[ 17 ]この病気の特徴の一つは、すり足歩行です。これは、歩行中に前かがみになり、徐々に速度を上げていくことで転倒や壁に接触する歩行です。パーキンソン病患者は歩行中に方向転換も困難です。そのため、音楽療法におけるドーパミン増加の原理は、パーキンソン病の症状を緩和すると考えられます。[ 15 ]これらの効果は、ガイによる様々な聴覚フィードバック刺激の研究で観察され、パーキンソン病患者の歩行速度、歩幅の増加、歩調の低下が見られました。[ 12 ]

ハンチントン病

ハンチントン病は、人の運動機能、認知機能、精神機能に影響を及ぼし、生活の質に重大な影響を及ぼします。[ 18 ]ハンチントン病の患者に最も一般的に見られる症状は、舞踏病、衝動制御の欠如、社会からの引きこもり、無関心です。 Schwarz らは、ハンチントン病患者に対する音楽療法とダンス療法の効果に関する発表された文献をレビューしました。音楽が音楽に関連する活動以外の認知能力と運動能力を高めることができるという事実は、音楽がこの病気の患者に有益である可能性を示唆しています。[ 13 ]音楽が生理機能に及ぼす影響についての研究は、基本的に決定的なものではありません。しかし、音楽療法は、患者の参加と治療への長期的な関与を高めることが研究でわかっています[ 13 ]これは、患者の能力の最大限の可能性を実現するのに重要です。

痴呆

認知症によって引き起こされるアルツァイマー病の患者は、馴染みのある曲を聞くと、ほとんどの場合、すぐに元気になります。[ 14 ] Särkämoらは、この病気の患者における体系的な文献レビューを通じて発見された音楽の効果について論じています。音楽と認知症に関する実験的研究では、旋律の輪郭知覚や聴覚分析などの高次聴覚機能は低下しているものの、音程、音色、リズムを含む基本的な聴覚認識は保持されていることがわかっています。[ 14 ]興味深いことに、音楽によって誘発される感情や記憶は、重度の認知症患者でも保持されることがわかっています。研究では、音楽が興奮、不安、社会的行動や相互作用に有益な効果をもたらすことが示されています。[ 14 ]認知タスクも音楽の影響を受け、エピソード記憶や言語流暢性などが挙げられます。[ 14 ]この集団の個人を対象とした歌唱に関する実験的研究では、記憶の保持、言語作業記憶、遠隔エピソード記憶、実行機能が向上しました。[ 14 ]

参考文献

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