ワーキングメモリー

平林 敏行
国立研究開発法人 量子科学技術研究開発機構 放射線医学総合研究所
DOI：10.14931/bsd.10434　原稿受付日：2023年5月29日　原稿完成日：2023年7月21日
担当編集委員：田中 啓治（国立研究開発法人理化学研究所 脳神経科学研究センター）

同義語：作業記憶、作動記憶
英：working memory　独：Arbeitsgedächtnis　仏：mémoire de travail

　ワーキングメモリーは、外界から入ってきた感覚情報などを、それが消えた後に数秒から数十秒の間、短期記憶として保持し、それを用いて他の認知機能を実行する為の、脳の機能である。短期記憶の意味で用いられる事が多いが、本来は純粋な短期記憶ではなく、それを用いて他の認知機能を実行したり、記憶内容に操作を加えたりする為の機能を指す。

ワーキングメモリーとは

　例えば、飼っているネコにごはんをあげる時、カップ5杯分のカリカリをあげると決めてあるとする。1杯、2杯、とお皿に入れるうちに、あれ、今何杯目だっけ？となる事がある。これはワーキングメモリーのちょっとした問題であるが、ネコにとっては大問題である。

図1. BaddeleyとHitchによる階層的なワーキングメモリーシステムのモデル
文献を改変。

　ワーキングメモリーは、感覚情報、または想起した宣言的記憶などを、数秒から数十秒の間、短期記憶として頭に思い浮かべたまま保持し、それを用いて意思決定や計算、発話、思考など、他の様々な認知機能を実行する為の、脳の機能である。この用語は、1960年にMillerらによって行動やその準備の為の短期記憶として最初に用いられたが、概念として現在まで残っているのは、BaddeleyとHitchによって1974年に提唱されたモデルである 。

　彼らは単体としての短期記憶を元に、上記のようにそれを他の認知機能に使用する為のものとして拡張し、純粋に短期記憶の保持に関わる下位システム（音や言語に関わる「音韻ループ」と、視覚刺激に関わる「視空間スケッチパッド」）と、その保持内容を用いて他の認知機能を遂行したり、あるいは保持内容に何らかの操作を加えるといった機能を担う、上位の「中央実行システム」から成る階層的なシステムによって実行される機能として、ワーキングメモリーを定義した（図1）。

　ワーキングメモリーは従って短期記憶そのものに近く、実際にその意味で用いられる事が多いが、本来は単に純粋な短期記憶を指すのではなく、それを用いて他の認知機能を実行したり、記憶内容に操作を加えたりする為の機能であり、また複数の記憶を同時に保持したり、あるいは保持しながら他の情報処理を並行して行う、といった点に重きが置かれている側面が異なる。例えば上記のネコのカリカリの例では、2杯目をお皿に入れた時に、「1杯目」だったワーキングメモリーの内容を「2杯目」に更新し、またそれをワーキングメモリーとして保持しながら3杯目のカリカリをカップで袋から取り出す・・・、といった具合に使われる。

　我々の日常において、ワーキングメモリーが使われる場面は非常に多い。会話、暗算、昨日の夕飯の内容を思い出して今日の夕飯を考える時、あるいはこの文章を読んでいる時も、ワーキングメモリーが使われている。つまりワーキングメモリーは、それ自体で完結するというよりは、むしろ多彩な脳機能を構成する基本単位の一つという側面が強く、実際にワーキングメモリーの成績は、他の多くの認知機能の成績に反映される。

　日々新たな出来事についての記憶が形成され、それが長期記憶として固定されても、記憶容量が上限に達して、代わりに古い記憶が無くなるとか、新しい事が記憶できなくなってしまう、という事にはならない。つまり長期記憶の容量には実質的に上限が無いと考えられるのに対して、一度に憶えられるワーキングメモリーの容量には上限があり、若い人で7つ前後、頭の中で繰り返すリハーサル等を統制してより厳密に数えると、4つ前後とされている 。

　しかしこの数は状況に依存する。例えば、まとまった事柄を一つのかたまり(チャンクと呼ばれる)として扱い、このチャンクを単位として憶えておく事で、その中身の数で数えた場合の上限数が実質的に多くなる事が知られている他、ポケモンに詳しい人がポケモンのキャラクターを憶えておく場合など、良く知っている物については、そうでない物に比べてより多く、ワーキングメモリーとして憶えておく事ができ 、こうした長期記憶（意味記憶）の貯蔵や想起に関わると考えられる側頭葉前方部を経頭蓋磁気刺激によって抑制すると、そのような効果が見られなくなる 。

　一方で、良く知っている複数の物を材料にしたワーキングメモリーテストを繰り返し行っていると、互いに干渉し合って間違いやすくなるという側面もある。これらの事から、長期記憶として蓄えられた、良く知っている物については、そうでない物とは異なるメカニズムでワーキングメモリーが成立し、短期記憶であるワーキングメモリーが長期記憶と無関係ではない事がわかる。

重要な脳部位

　前頭前皮質、特に外側前頭前皮質、及び後頭頂皮質が最もよく挙げられる 他、物体に関する視覚的なワーキングメモリーには物体の視覚表象に関わる下側頭皮質 など、記憶の内容に関わる高次感覚皮質の関与も良く知られており、また高次視床核 や[[[海馬]] 、あるいは大脳基底核 といった皮質下領域の関与も示唆されている。

　脳機能障害との関連では、空間に関するワーキングメモリーが前頭前皮質の広範な切除によって損なわれるというサルを用いた結果がJacobsenらによって1936年に最初に報告され、その後、前頭前皮質の中でも特に背外側前頭前皮質の限定的な切除によって同様の障害が生じる事が明らかになった 。またヒトにおける精神・神経疾患との関連性については、統合失調症や注意欠陥多動性障害、強迫性障害、あるいはパーキンソン病等、特に前頭前皮質の機能障害を伴う多くの精神・神経疾患において、ワーキングメモリーの障害がしばしば認められる。しかし、あらゆるワーキングメモリーを支える特定の脳部位があるわけではなく、ワーキングメモリーの対象が視覚や聴覚などのうち、どの感覚モダリティに属するのか、あるいは「物」なのか、それとも「場所」なのかといった具合に、その内容によって異なる脳部位が関与する他、一つの内容のワーキングメモリーについても、複数の脳領域から成るネットワークと、その中における脳領域間の相互作用によって成立すると考えられている 。

　ワーキングメモリーは認知記憶の一種だが、この機能に重要な役割を果たす脳部位は、必ずしも他の認知記憶に重要な脳部位と同一ではない。例えば長期記憶、特に過去の出来事についての長期記憶であるエピソード記憶の形成には、海馬を始めとする内側側頭葉が不可欠である事が良く知られているが、この領域の機能が失われて新たなエピソード記憶が形成されなくなっても、ワーキングメモリーへの影響はかなり限定的である。この事から、同じ認知記憶でもワーキングメモリーと長期記憶では関わる脳部位やメカニズムが同一ではない事がわかる。

　ワーキングメモリーは動物にもあり、ヒトに近い脳の構造と機能を持つ[[[サル]]等を用いて盛んに研究されている。動物を用いた研究は、ヒトでは困難な特定部位の限定的な破壊あるいは不活性化実験による、脳部位と行動との間の因果性解明やニューロンレベルでの機能理解などにおいて大いに貢献しているが、特にワーキングメモリーへの強い関与が示唆される、前頭前皮質などの高次脳領域については、動物種間での脳部位同士の対応関係が必ずしも自明ではない 点や、用いられる行動課題も異なる場合が多く、また同じワーキングメモリー課題を課しても、ヒトが言語化、あるいは意味記憶との連関を多用しながら課題を解くのが一般的であるのに対して、動物は必ずしもそうではない（あるいはどのようにして解いているのかが正確にはわからない）等、課題の解き方が異なる為、使われる脳部位も使い方も異なる可能性がある、という点などから、実験結果をヒトと比較する際には注意が必要である 。

図2. マカクザルの背外側前頭前皮質から記録された、空間作業記憶に関わる単一神経細胞の持続的スパイク発火
文献より。

神経機構

　ワーキングメモリーの神経機構は、特にどのようにして情報を保持するかという短期記憶の観点について研究が進められてきた。一般的には、長い間、神経細胞の持続的なスパイク発火によって情報の保持が実現されている（図2）、と考えられてきた。この情報保持に関わる持続的発火自体はこれまでに非常に多くの報告があり 、それがどのように実現されているかについても様々なモデルが提唱されてきた。最も基本的なモデルは、近隣の神経細胞同士が互いに興奮性の結合を持つセルアセンブリを形成し、スパイク発火を伝えあう事で、多少の摂動が加えられても一定の状態に戻る安定した「アトラクター」を形成し、これによって持続的な発火を実現している、というものである 。興奮性結合は近隣の神経細胞同士に限らず、異なる脳部位同士、あるいは3つ以上の脳部位間での結合に基づいたモデルも提唱されている 。神経細胞が持続的発火を実現するには、一定の入力に対して長い時定数で発火する必要があり、大脳皮質においては、一般に低次の感覚皮質に比べて高次連合野の方がこの時定数が長い事から、これが低次感覚皮質よりも高次連合野の方がワーキングメモリーへの関与が強い理由であるという説が提唱されている 。

　また、長い時定数を実現する分子基盤としてNMDA型グルタミン酸受容体の関与が示唆されており、実際にその阻害によってワーキングメモリー課題における持続的なスパイク発火、及びその刺激選択性が損なわれる事が示されている 。

　近年では、実は一つの神経細胞が持続的に発火するのではなく、一つの神経細胞の発火は短期間でありながら、複数の神経細胞が互いに異なるタイミングで発火する事で、神経細胞の集団として持続的な発火を実現しているというデータが齧歯類を中心に多く報告されている他、必ずしもスパイク発火を伴わず、シナプス強度の短期的な調節によって情報が保持されているとするモデル も提唱されている。このようなシナプス強度の短期的な調節は、低次の感覚皮質に比べて前頭前皮質においてより顕著に見られ、脳領域間でのワーキングメモリーへの関与の強さの相違と一致している他、スパイク発火による保持とも両立し得るが、技術的観点から実験的検証がやや難しい。あるいは、多くの神経細胞の、多くの試行におけるスパイク発火の平均が持続的に見えても、個々の神経細胞の個々の試行ごとに見ると実はスパイク発火はスパースである事が多く、実際の事象としては持続的なスパイク発火ではなく、一過性のγ帯域の振動性バーストであるという結果も報告されている 。この方式だと、理論的には持続的発火に比べて複数の物を同時にワーキングメモリーとして保持するのに有利である他、スパイク発火を節約でき、エネルギー代謝の観点からもメリットがある。ワーキングメモリーの保持が神経細胞の発火を伴うのか、伴わないのか、発火は持続的か否か、もし持続的なスパイク発火を伴うのであれば、それは個々の神経細胞によるのか、それとも細胞集団によるのか、あるいはこれらの組み合わせなのかについては、現在も議論が続いている。

ワーキングメモリーと注意機能

　ワーキングメモリーは上述のように他の認知機能を実現する為の一要素となる事が多く、従って多くの認知機能と関係があるが、特に関係の深い認知機能として、古くから注意機能が挙げられてきた。注意機能は、外界などから脳に入って来る様々な感覚情報のうち、一部の特定の情報に処理を集中させる認知機能であり、ワーキングメモリーと同様に背外側前頭前皮質や後頭頂皮質などが重要な役割を果たす事が知られている。Baddeleyらのモデルにおいて、注意機能はワーキングメモリーの「中央実行システム」が担う重要な機能の一つである他、ワーキングメモリーには注意機能が必要で、注意機能によって情報処理の対象となった感覚刺激や想起された宣言的記憶の内容だけがワーキングメモリーとして保持される、というモデルも提唱されており 、実際に注意を向けた物や場所の方がワーキングメモリーの成績が良い事が知られている 。

　また逆に、注意機能はワーキングメモリーのメカニズムを使って実現されているというモデルも提唱されており、こうした事からワーキングメモリーは注意と同一の機能を別の観点から見たものであるとする研究者もいる。しかし、両機能の神経基盤が共通であるというモデルはヒトにおけるfMRI・EEG研究を中心とした知見を基にしたものであり、従ってニューロンレベルでの両機能の関係については研究があまり進んでいなかった。これら両機能のニューロンレベルでの重複について、サルを用いて光遺伝学と複数領野におけるニューロン活動記録を組み合わせた最近の報告では、領野によってはワーキングメモリーと注意機能への関与の仕方に差があり、また両方の機能を担う領野であっても、個々のニューロンレベルではどちらか一方の機能のみを担うニューロンが大半を占める事が示されている。ワーキングメモリーと注意機能が同一の機能か、それとも異なる機能か、互いにどのような関係にあるのかについては、現在も議論が続いている。

結び

　ワーキングメモリーは古くから提唱されている概念であり、多くの認知機能に関わり、かつ比較的単純で、動物を用いた研究が進めやすい事もあり、これまでヒト・動物共に非常に多くの研究が心理、生理、計算論など様々な角度から互いに影響を及ぼしながら行われ、現在でもそれは止むことなく、その理解が少しずつ進んでいる。ワーキングメモリーについての理解を目的とした、こうした多方面からの盛んな研究を通じて、ワーキングメモリー自体の理解が進展するだけでなく、それを実現する局所あるいは広域ネットワーク作動の理解、ワーキングメモリーを含むさらに複雑な脳機能の理解、より現実に近い神経回路モデルの構築、あるいはワーキングメモリーの機能が破綻する精神・神経疾患の病態回路の理解や新たな治療法の開発など、様々な波及効果が考えられる。ワーキングメモリー研究は、これからも多彩な形で脳機能の理解の進展に貢献し続けるだろう。