言語と音楽の階層的神経情報表現に関する定量モデルの構築

• Project Area: Studies of Language Evolution for Co-creative Human Communication
• Project/Area Number: 18H05091
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: National Institute of Information and Communications Technology
• Principal Investigator: 中井 智也 国立研究開発法人情報通信研究機構, 脳情報通信融合研究センター脳情報通信融合研究室, 研究員 (60781250)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2018: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: MRI / 言語 / 音楽 / 機械学習 / 認知神経科学 / 階層構造情報 / 認知神系科学

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の目的は、言語と音楽の共通部分に関して、認知神経科学の視点からその基盤となる脳メカニズムを明らかにすることである。その目的のため、令和元年度申請者は前年度に実施した言語実験と音楽実験の解析を実施した。
言語に関して、前年度に得た6名の被験者に文章刺激を読み/聞き条件で与えた際の脳活動データを解析した。得られた脳活動データに対し、文章刺激から抽出した意味特徴量および音韻特徴量を組み合わせたBanded-Ridge回帰を実施した。さらにVariance Partitionining解析を実施することにより、複数種類の特徴量により予測精度への影響を分離することに成功した。その内容をSociety for Neurobiology of Language 2019および脳と心のメカニズム第20回冬のワークショップにおいて発表した。現在、その結果を拡張した内容を論文にまとめ、投稿準備をしている。
音楽に関して、5名の被験者に540曲の楽曲を聴かせた際の脳活動データを解析した。聴覚応答に関するModulation Transfer Functionモデルを実装し、上側頭回の音楽ジャンル特異的な脳活動パターンを説明することに成功した。また、Brain-Feature Similarity Analysisという解析手法を導入し、脳におけるカテゴリー選択的応答を音響特徴量のカテゴリー間類似度で説明することに成功した。この成果をまとめ、現在論文投稿中である。
また、新学術領域における班間共同研究により、30名の非右利き被験者を対象としたMRI実験を実施した。その結果、数学と言語の半球優位性が下前頭回付近において相関することを見出し、その成果をNakai & Okanoya (Cortex 2020)として発表した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Quantitative models reveal the organization of diverse cognitive functions in the brain (2020)
  • Author(s): Tomoya Nakai, Shinji Nishimoto
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 1142-1142
  • DOI: 10.1038/s41467-020-14913-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cortical collateralization induced by language and arithmetic in non-right-handers (2020)
  • Author(s): Tomoya Nakai, Kazuo Okanoya
  • Journal Title: Cortex Volume: 124 Pages: 154-160
  • DOI: 10.1016/j.cortex.2019.11.009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Data-driven models reveal the organization of diverse cognitive functions in the brain (2019)
  • Author(s): Tomoya Nakai, Shinji Nishimoto
  • Journal Title: bioRxiv Volume: 1 Pages: 614081-614081
  • DOI: 10.1101/614081
  • Open Access
• [Journal Article] Neural Evidence of Cross-domain Structural Interaction between Language and Arithmetic. (2018)
  • Author(s): Tomoya Nakai, Kazuo Okanoya
  • Journal Title: Scientific reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 12873-12873
  • DOI: 10.1038/s41598-018-31279-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reduced γ-aminobutyric acid in the superior temporal gyrus is associated with absolute pitch. (2018)
  • Author(s): Hiroaki Maeshima, Chihiro Hosoda, Kazuo Okanoya, Tomoya Nakai
  • Journal Title: Neuroreport Volume: 29 Issue: 17 Pages: 1487-1491
  • DOI: 10.1097/wnr.0000000000001137
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Encoding and decoding of music-genre representations in the human brain (2018)
  • Author(s): Tomoya Nakai, Naoko Koide-Majima, Shinji Nishimoto
  • Journal Title: Proceedings of the IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics Volume: 1 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1109/smc.2018.00108
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Quantitative models reveal the cortical representation of linguistic information modulated by selective attention (2020)
  • Author(s): Tomoya Nakai, Hiroto Q. Yamaguchi, Shinji Nishimoto
  • Organizer: The 20th Winter Workshop on the Mechanism of Brain and Mind
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Similarity of cortical semantic representations during language production and comprehension (2019)
  • Author(s): Hiroto Q. Yamaguchi, Tomoya Nakai, Shinji Nishimoto
  • Organizer: 11th Annual Meeting of the Society for the Neurobiology of Language
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Functional subdivisions around FEF revealed by multi-modal modeling of movie-evoked activity (2019)
  • Author(s): Hiroto Q. Yamaguchi, Satoshi Nishida, Tomoya Nakai, Shinji Nishimoto
  • Organizer: 25th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 符号化モデルを用いた音楽ジャンルの脳内情報表現の可視化 (2018)
  • Author(s): 中井智也、小出（間島）真子、西本伸志
  • Organizer: 音学シンポジウム2018
• [Presentation] Cognitive map of over 100 naturalistic tasks identified in the human brain (2018)
  • Author(s): Tomoya Nakai, Shinji Nishimoto
  • Organizer: The 41st Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Decoding of novel music-genres based on the spectro-temporal modulation property in the superior temporal gyrus (2018)
  • Author(s): Tomoya Nakai, Naoko Koide-Majima, Shinji Nishimoto
  • Organizer: 第二回ヒト脳イメージング研究会
• [Presentation] Data-driven mapping of over 100 naturalistic tasks in the human brain (2018)
  • Author(s): Tomoya Nakai, Shinji Nishimoto
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] ヒトの多様な認知機能を司る脳内情報表現の可視化と解読に成功
  • URL: https://www.nict.go.jp/press/2020/03/10-1.html