1981年の生理学・医学ノーベル賞：脳は並列分散システムだった
本稿で学ぶこと
本稿では、脳が単一の統合されたコンピューターではなく、むしろ並列分散システムであるという理解がどのように生まれたのかを説明します。ロジャー・スペリーの分割脳実験は、左右の脳半球が基本的に異なる「人格」を持っていることを示しました。デイビッド・ヒューベルとトルステン・ウィーゼルは、猫の視覚皮質のニューロンが、階層的な方法で特徴を検出することを示しました。また、これらの2つの発見が、今日の畳み込みニューラルネットワーク（CNN）と深層学習にどのように直接つながったのか、そして、パーソナルコンピューターが誕生した同じ年に、脳に対する私たちの理解がどのように爆発的に進んだのかについても考察します。
常識とは異なる物語：一つの脳の中に二つの人が住んでいる
私たちは一般的に、統一された意識、「私」が単一の脳の中で機能していると考えています。左右の脳半球については知っていても、通常はそれらが協力して単一の意思決定を行っていると考えています。これが常識です。
スペリーの分割脳実験は、この常識を覆しました。左右の脳半球をつなぐ神経線維の束である脳弓を切断すると、効果的に一つの人の中に2つの独立した意識が存在することが明らかになります。左手は右手が何をしているのか分からず、左視野で見たものは言葉で表現できません。さらに、2つの半球は異なる意思決定をすることさえあります。
一方、ヒューベルとウィーゼルは、異なる角度から脳の現実を探求しました。視覚皮質にある個々のニューロンは何に応答するのでしょうか？ 常識的な答えは、「特定の物体や顔に応答するでしょう」でしょう。しかし、実際の結果は異なりました。それらは非常に単純な特徴、つまり特定の角度の短い線分、または特定の方向への動きに対して、非常に選択的に応答しました。 そして、上の層にあるニューロンは、これらの単純な特徴を組み合わせて、より複雑な特徴を検出します。階層を上るにつれて、抽象化のレベルが高まります。
この3人の研究者の発見をまとめると、以下のようになります。脳は単一の統合されたCPUではなく、複数の特殊なプロセッサーが並列に動作し、情報を階層的に処理する分散システムです。 コンピューターサイエンスの言葉で言えば、これは階層的な畳み込みニューラルネットワークがデュアルコアCPU上で実行されていることに最も近いです。左右の脳半球、つまり2つのコアが並列に実行され、視覚や聴覚などの感覚情報は、各コア内の階層的な層を通してフィルタリングされ、抽象化されます。
もちろん、このアナロジーは完璧ではありません。脳はシリコンコアのように命令を逐次的に実行するわけではなく、確率的な発火パターンで表現されます。しかし、**「モジュール型並列処理＋階層的特徴抽象化」**という構造は、40年後に深層学習の成功によって検証されました。
時代精神：パーソナルコンピューティングの夜明けと新冷戦
1981年は、情報技術と国際政治の両方において、同時多発的な変革が起きた年でした。
世界史において決定的な出来事の1つが起こりました。それは、8月12日にIBM PC 5150が発売されたことです。 Intel 8088プロセッサー、16KBのRAM、およびDOSオペレーティングシステム。この単一の箱は、コンピューティングを大規模な企業データセンターからデスクトップに引き出しました。パーソナルコンピューターの時代は、この日に始まりました。翌年にはMicrosoft Wordが発売され、その次の年にはApple Lisaが発売されました。脳の理解に対するノーベル賞と、パーソナルコンピューティングの普及が、ちょうど同じ年に起こったことは偶然ではありません。後で見ていくように。
国際政治においては、10月6日、エジプトのサダト大統領が、カイロで行われた軍事パレード中に、イスラム教徒同盟に所属する男によって暗殺されました。これは、1978年のキャンプ・デービッド合意の立役者であるサダトが、自身の過激派によって暗殺された事件でした。12月13日、ポーランドのヤルゼルスキ政権は、連帯運動に対して武力鎮圧を実施し、東ヨーロッパの共産主義政権の最後の抵抗が始まりました。そして、6月5日、米国のCDCは、ロサンゼルスで5人のゲイの男性に見られる原因不明の肺炎の症例を報告し、これは後にHIV/AIDSパンデミックの始まりとして記録されることになります。
韓国の歴史においては、3月3日にチョン・ドゥファンが大統領に就任し、第5共和国が開かれました。1980年の5月事件は、政治体制として固定化されました。三青教育団の活動は終わりに近づき、カラーテレビ放送が普及し、1988年オリンピック（9月にソウルが選出）の開催に向けて準備が進められました。政治が抑圧され、消費社会が色彩を増していく二元的な風景です。
この激動の年において、ノーベル委員会は脳の並列分散構造を認めました。パーソナルコンピューターが世界に導入された年に、究極のコンピューターである脳の仕組みを描き出しました。ある意味で、これは、人工知能が脳を模倣したい場合に、模倣すべきことの半分の答えを提供したと言えるでしょう。
ロジャー・スペリー：カルテクにおける学際的な統合者
**ロジャー・W・スペリー（1913-1994）**は、アメリカの神経生物学者でした。彼の学歴は特にユニークです。**彼は、英文学を専攻し、心理学の修士号、そして動物学の博士号を取得しました。**1941年にシカゴ大学で博士号を取得しています。これは、今日の学際的な研究者の典型的なキャリアパスに近いものです。
博士号を取得した後、彼はハーバード大学とシカゴ大学（1946年から1954年まで教授）で働き、**1954年にはカリフォルニア工科大学（カルテク）の心理生物学の教授（ヒクソン教授）に任命されました。**彼の代表的な研究は、ここで30年間行われ、**1984年に退職し、**パスデナで1994年4月に亡くなるまで、名誉教授（名誉特任教授）として在籍しました。彼の肩書きが「心理生物学」であったことは象徴的であり、彼の研究が純粋な生物学ではなく、心理学と生物学の交差点で行われたことを示しています。
スペリーの初期の研究は、神経の再生と回路の形成に焦点を当てていました。彼がサンショウウオの視神経を切断し、視覚野を反転させた実験は、神経回路が厳密にハードワイヤリングされていることを示す重要な観察でした。この回路特異性原理は、後に化学親和性仮説となりました。
転換期となったのは、彼が側頭葉てんかんの患者で、脳梁を切断する手術を受けた患者と出会ったことです。1940年代後半から、神経外科医は、薬物療法に抵抗性のあるてんかんを防ぐために、**脳梁を切断する手術（脳梁切断術）**を試みていました。これは、発作が左右に広がるのを防ぐための極端な手段でした。
驚くべきことに、手術を受けた患者は、**日常生活ではほとんど正常でした。**彼らの知能検査のスコアは正常で、通常通り会話をすることができました。最初にこれを観察した医師たちは、脳梁は単に両側をつなぐケーブルであり、実際にはあまり機能がないと結論付けました。スペリーは、この結論を信じませんでした。
脳の分離実験：両側が異なる決定をする瞬間
スペリーと彼の大学院生であるマイケル・ガザニガによって設計された実験は、非常に精密でした。
重要なのは、**刺激を片方の視覚野だけに提示することでした。**左側の視覚野からの情報は右半球に伝達され、右側の視覚野からの情報は左半球に伝達されます。脳梁が完全に機能している場合、この情報は直ちに両半球間で共有されます。脳梁が切断されている場合、各半球は自分の側にある情報だけを知っています。
被験者は、スクリーンの前に座り、中心を見つめるように指示されます。**リンゴの画像が0.1秒間、左側の視覚野に表示されます。**この情報は右半球にのみ伝達されます。尋ねられたとき、「何が見えましたか？」と聞くと、右半球には言語能力がないため、患者は「何も見えませんでした」と答えます。しかし、患者に左手（右半球によって制御される）を使ってさまざまな物に触れさせるように指示すると、患者は正確にリンゴを手に取ります。右半球はそれを見ていて、手で反応することができますが、言葉で表現することはできません。
さらに劇的な実験も行われました。雪だるまの画像が左側の視覚野に、ニワトリの足の画像が右側の視覚野に同時に表示されます。左半球はニワトリの足を見、右半球は雪だるまを見ます。患者に、先ほど見たものに関連するものを、いくつかの画像の中から両手で1つ選ぶように指示すると、右の手（左半球）はニワトリを選び、左の手（右半球）はスコップを選びます。これは、雪だるまを片付けるために必要な道具です。
ここで重要な瞬間が訪れます。なぜスコップを選んだのかと尋ねると、患者の左半球（言語中枢）は、「鶏小屋を掃除するためにスコップが必要です」と答えます。雪だるまを見ていない左半球は、左手がスコップを選んだ理由を説明するために、後から物語を作り上げます。スペリーとガザニガは、これを解釈モジュールと呼びました。左半球の基本的な機能は、事後的に物語を作り上げ、自分自身を欺くことです。
この結果は、脳機能に関するより大きな視点を開きました。スペリーは、左半球が言語、書字、論理、推論を担当し、右半球が視覚的および芸術的な知覚を担当することを明確に示しました。そして、彼の研究は、他の研究者によるその後の研究の出発点となり、大脳皮質が**感覚皮質（感覚器官からの情報を処理）、運動皮質（応答器官に命令を発する）、および連合皮質（感覚情報を統合および判断し、思考および記憶を行う）**に分割されているという全体像を完成させました。
コンピュータサイエンスの言葉で言えば、これはマルチプロセスシステムのポストログクリーンアップに似ています。複数のプロセスが並行して動作し、結果を生成し、レポートプロセスが後で「なぜこれが起こったのか」という物語を作成します。「私はこれをすることにした」と感じることは、実行ではなく、ポストログの物語化です。ただし、このアナロジーは、脳が自分自身を欺かないという点で破綻します。左脳の解釈モジュールは、自分自身を欺きます。
これに加えて、スペリーは、胚発生中に、神経が中枢神経系内で正確なシナプスを正しいタイミングで形成するメカニズムを研究することにも力を注ぎました。この研究は、神経再生に関する彼の初期の研究の継続でした。
ヒューベルとウィーゼル：ジョンズ・ホプキンスからハーバードへ、22年間の軌跡
デイビッド・H・ヒューベル（1926-2013）はアメリカの神経科学者でした。興味深いことに、彼はカナダで生まれましたが、両親がアメリカの市民であったため、二重国籍でした。ノーベル賞を受賞した際、どちらの国がその栄誉を主張すべきかについて議論が交わされました。
ヒューベルは大学で数学、物理学、化学に優れており、これらの科目の成績は非常に優秀でした。しかし、彼は高校で生物学を学んでいませんでした。それでも、1957年にマギル大学の医学部に合格しました。これは、彼が後に「驚くべきことだ」と語ったことです。また、彼は医学部で生物学の知識が不足していたため、しばらく苦労したことを覚えています。彼は1951年にマギル大学で医学博士号を取得し、その後、1955年から1958年までジョンズ・ホプキンス大学で教授を務めました。この期間中に、彼はウィーゼルと出会い、彼らの長期にわたる共同研究が始まりました。
トルステン・N・ウィーゼル（1924-）はスウェーデンの神経科学者です。彼は1954年にカロリンスカ研究所で医学博士号を取得し、1955年に米国に移り、ジョンズ・ホプキンス大学でヒューベルと出会いました。ウィーゼルもまた、様々なスポーツが得意で、高校でスポーツクラブの会長を務めており、それが彼が最も達成感を感じた時期だったと述べています。
二人の性格は互いに補完し合っていました。ヒューベルは理論に強く、より自然な発想をするタイプでしたが、ウィーゼルはより正確で慎重な実験を行うタイプでした。彼らは互いの弱点を補い合い、1959年に二人でハーバード大学の医学部に移り、共同で研究室を運営しました。ヒューベルは1959年から1982年までハーバード大学の医学部の教授を務め、1983年に名誉教授となりました。ウィーゼルは1959年から1983年までハーバード大学で教授を務め、その後、1983年から1998年までロックフェラー大学で教授兼学長を務め、名誉学長となりました。22年以上にわたるこの共同研究は、神経科学の歴史の中で最も生産性の高い研究の一つとして記録されています。
二人の目標は一つでした。それは、個々のニューロンがどのように視覚情報を処理しているかを直接測定することです。彼らは麻酔された猫の頭蓋骨を開け、視覚皮質にマイクロ電極を挿入し、単一のニューロンに到達するまで進めました。彼らは、さまざまな刺激を画面上に表示し、単一の細胞からの発火（電気信号）をスピーカーを通して聞きました。もし細胞が反応した場合、その刺激はその細胞にとって興味深いものでした。
彼らの最初の発見は、ほぼ偶然によるものでした。1959年のある日、二人はスライドプロジェクターを使用して、さまざまな円形の画像を表示することで、猫の視覚皮質の細胞を刺激していました。しかし、細胞は反応しませんでした。そして、スライドを変更したとき、スライドの端、つまり画面上を特定の角度で走る線が通過すると、その細胞が爆発的に反応しました。彼らは偶然にも、この細胞が特定の角度の線分に反応することを発見したのです。
視覚皮質の階層構造：CNNの原型
その後の体系的な実験が行われました。ヒューベルとウィーゼルは、一次視覚皮質（V-1）のニューロンを2つのタイプに分類しました。
単純細胞は、視覚野内の特定の場所に存在する、特定の角度の線分に対してのみ反応します。各細胞は異なる好みの角度を持っています。ある細胞は垂直線に、ある細胞は45度の斜め線に、そしてある細胞は水平線に反応します。視覚野全体をカバーするために、各場所に角度が異なる複数の細胞が配置されています。
複合細胞は、視覚野を横切って移動する特定の角度の線分に反応します。位置はいくらか柔軟性があります。これは、単純細胞の出力を組み合わせることで生成されるようです。
超複合細胞は、さらに複雑です。特定の長さの線分、特定の方向に配置された角、または特定の方向に移動する物体に反応します。階層を上るにつれて、特徴の抽象化レベルが高まります。
この階層構造は、以下の図でまとめることができます。
ピクセル → 特定の角度の線分（単純）→ 位置が柔軟な線分（複合）→ 縁/長さ（超複合）→ 形状 → 物体 → 顔
さらに、彼らはV-2領域の機能を徹底的に調査し、視覚皮質の各領域が、物体の形状、色、動き、および視点の情報など、どのような種類の視覚情報に特異的に反応するかを明らかにしました。目から発せられる多数の神経インパルスが、脳の視覚皮質で単一の画像に解読されるプロセス（特にウィーゼルが解明したプロセス）は、脳内で「コード化」されているかのように解読されるとまとめられています。
これは、今日の畳み込みニューラルネットワーク（CNN）の正確な構造です。1980年、ヒューベルとウィーゼルの発見に触発された工藤邦彦は、ネオコグニトロンを設計しました。1998年、ヤン・ルカンはLeNetを作成し、2012年、アレックス・クリジェフスキーはAlexNetでImageNetコンペティションで圧倒的な勝利を収めました。階層的な特徴検出のアイデアは、脳から直接、深層学習へと進化したのです。
コンピュータサイエンスの用語で言えば、視覚皮質は階層的な畳み込みフィルタバンクです。下位の層は局所的な特徴（エッジ）を検出し、層を上るにつれて受容野が拡大し、特徴はより抽象化されます。今日、スマートフォンが顔を認識する仕組みの背後にある原理は、1959年のハーバード大学の地下室で行われた猫の実験に根ざしているのです。
たとえれば、コンピュータのCNNは学習によってフィルタを学習しますが（バックプロパゲーション）、脳の視覚皮質は、発達と初期の経験を通じてフィルタを獲得します。しかし、最終的な構造（階層的な受容野の拡大）は驚くほど一貫しています。
決定的な実験：発達期と脳の可塑性
ヒューベルとヴィーゼルは、発達の臨界期に関する実験も行いました。子猫の片方の目を数週間、早い段階で覆っておくと、その目の視力は生涯にわたって損なわれます。脳の視覚皮質の対応する領域は、もう片方の目によって占有されます。この臨界期は不可逆的です。
この発見は、臨床現場に直ちに影響を与えました。小児の斜視と弱視の治療原則である、早期発見と早期介入は、この研究に由来します。 以前は、子どもの視力問題は年齢とともに自然に改善されると考えられていましたが、現在では、治療は臨界期内に行う必要があるという原則が確立されています。
コンピューターサイエンスの視点から見ると、この発見は、強化学習における探索と活用のトレードオフを生物学的に示したものに近いです。初期の発達段階では、脳は柔軟な探索モードで回路を形成し、臨界期以降は、活用モードに固定されます。一度フィルターが形成されると、簡単に再学習することはできません。 これはまた、大人が新しい言語を学ぶのが難しい理由の神経学的な理由でもあります。
学術的影響：脳生物学における画期的な出来事
この3人の研究は、脳の各領域の機能に関して、脳生物学における決定的な画期的な出来事です。 ニューロンの興奮伝導とシナプスに関する研究がどれほど洗練されても、脳における認識機能が解明されなければ、思考と行動の原理は謎のままです。スペリー、ヒューベル、ヴィーゼルの研究は、この謎への扉を開きました。
この賞を受けて、脳研究は純粋な生物学にとどまらず、心理学、動物行動、医学へと拡大しました。 この研究は、さまざまな脳疾患、特に精神疾患の診断と治療の基礎を築きました。脳が、刺激と反応の行動的なブラックボックスとしてではなく、各領域が並行して協力する、特殊な機能を持つ構造として認識されるようになった瞬間は、転換点でした。
また、この頃から、世界各国が脳生物学研究に大規模な人的資源と研究資源を投資し始めました。今日の米国のBRAINイニシアチブ（2013年～）、ヨーロッパのヒト脳プロジェクト（2013年～）、日本のブレイン/MINDS（2014年～）、韓国の脳研究推進法（1998年、2007年に改正）はすべて、この流れを汲んでいます。
今も続く遺産
この3人の発見は、今日でも影響を与え続けています。
スペリーの分離脳研究は、今日の脳の側性化、脳卒中リハビリテーションプロトコル、神経心理学的評価に関する標準を確立しました。 「言語は左脳のブローカ野とウェルニッケ野にある」、「空間知覚は右脳の頭頂-後頭皮質にある」といった概念は、臨床ガイドラインとなっています。ガザニガは後に、認知神経科学という分野を創り上げました。
ヒューベルとヴィーゼルの視覚皮質研究は、深層学習の理論的な根幹です。 CNNが、画像認識、顔認識、自動運転車、医療画像診断において人間のレベルを超えたのは、視覚皮質の構造を模倣しているからです。2018年のチューリング賞を受賞したヒントン、ルカン、ベンジオの功績は、本質的には、1959年にハーバード大学の地下室で行われた猫の実験から始まったと言えます。
臨床神経学においては、臨界期の概念が、小児眼科、言語療法、認知リハビリテーションの治療原則となっています。この発見以来、脳の可塑性に関する研究が爆発的に進み、現在では、脳卒中リハビリテーション、神経インターフェース、脳刺激療法の理論的な基盤となっています。
韓国の臨床現場では、その影響がすぐにわかります。1980年代後半から、ソウル大学と延世大学の小児眼科において、弱視に対する早期治療が標準化され、神経外科において、脳梁切断術に関する研究が行われています。今日、KAISTやPOSTECHの研究者が深層学習論文を発表する際、この3人は、そのルーツに位置しています。
なぜ重要なのか
3人の科学者が確立したのは、**「脳は統合されたコンピュータではなく、並列分散システムである」**ということです。
スペリーは、左右の脳半球が本質的に独立した処理ユニットである、つまりデュアルコアであることを示しました。ヒューベルとウィーゼルは、視覚情報が階層的なフィルタを通して抽象化される、つまり階層的な特徴抽出であることを示しました。この2つの原理が組み合わさることで、今日の深層学習が可能になっています。
脳の並列分散構造が、パーソナルコンピュータが登場した年にノーベル賞を受賞したことは偶然ではありません。 情報処理の観点から見ると、人間が自分自身を理解し始めたとき、彼らはまた、その構造を彼らが作成した機械に移植しようと試みました。1981年から40年が経過し、今日、私たちは脳を模倣したコンピュータを使用して、脳そのものを理解しています。
この賞の後、脳の理解の流れは次のように続きました。
- 1986年、パパネロ、サルツマン、ニューサム: 視覚皮質MT領域と運動知覚 - 高度な視覚処理の詳細な理解。
- 2000年、カールソン、グリーン、カンデル: 神経系におけるシグナル伝達 - シナプス化学的メカニズム。
- 2014年、メイ＝ブリット・モッサーとエドヴァルド・モッサー: 海馬空間認知グリッド細胞 - 脳のGPS。
- 2024年、ヒントンとホップフィールド（物理学賞）: 人工ニューラルネットワークの統計力学的基盤 - スペリー、ヒューベル、ウィーゼルの系譜の最終的な収束。
これらの発見がCSに影響を与えた決定的な瞬間：
- 1980年、福島によるネオコグニトロン: ヒューベルとウィーゼルの論文を直接引用。
- 1998年、ヤン・ルカンのLeNet-5: CNNの実用的な応用、MNIST手書き数字認識。
- 2012年、AlexNet: ImageNetで圧倒的な成績を収め、深層学習時代の幕開け。
- 2017年、Transformer: 視覚と言語を統合するアテンションメカニズム。
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