広報活動

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2011年1月21日

独立行政法人 理化学研究所

プロ棋士の直観は、尾状核を通る神経回路に導かれる

―プロ・アマ棋士の脳機能画像研究が、直観的思考の神経基盤を明らかに―

ポイント

  • プロ棋士の脳では、盤面を見て楔前部、直観的な次の一手の導出には尾状核が活動
  • プロ棋士の脳では、楔前部と尾状核を結ぶ神経回路が活発化
  • 熟達者固有の直観をとらえ、脳の仕組みの謎を解く新分野を開拓

要旨

独立行政法人理化学研究所(野依良治理事長)は、将棋のプロ棋士が瞬時に盤面の駒組を認識した後、次の一手を直観※1的に導き出すときの脳活動を機能的磁気共鳴画像(fMRI)※2で測定し、アマチュアにはないプロ棋士特有の直観的思考回路の存在を実験的に示すことに初めて成功しました。これは理研脳科学総合研究センター(利根川進センター長)認知機能表現研究チームの田中啓治チームリーダーと万小紅(Xiaohong Wan)研究員、機能的磁気共鳴画像測定支援ユニットの程康(Kang Cheng)ユニットリーダー、富士通株式会社、株式会社富士通研究所、社団法人日本将棋連盟らによる将棋プロジェクトの研究成果です。

将棋のプロ棋士は、長い訓練と対戦経験から得た情報を基に、瞬時に状況を判断し、最適な次の一手を直観的に導き出すことができます。このような直観的な次の一手の導出に関わる脳の神経回路の情報処理機構を解明し、熟達者に特有の直観的思考の成り立ちを理解することは、脳の思考の仕組みの謎を解く重要な鍵につながると期待されます。

研究グループは、MRI装置内に入った将棋の棋士が詰め将棋の問題や必至問題の盤面を解くときの脳活動を測定し、プロ棋士とアマチュア棋士で比較しました。その結果、プロ棋士の脳で特異的に活動する2個所の領域、1つは将棋盤面を見て瞬時に駒組を認識するときに活動する大脳皮質頭頂葉の楔前部(けつぜんぶ)、もう1つは最適な次の一手を直観的に導き出すときに活動する大脳基底核の尾状核、を同定することに成功しました。また、盤面を見て次の一手を直観的に導き出す過程では、楔前部と尾状核が連動して活動することも明らかにし、棋士の直観的な導出能力が、楔前部と尾状核を結ぶ神経回路に埋め込まれている可能性を示唆しました。

本研究は、脳研究が「熟達者固有の直観」という一見とらえにくい現象の神経基盤を解明した世界で初めての例になるとともに、長年にわたり熟達者の認知過程を研究対象としてきた認知心理学に神経基盤を与え、脳機能研究と認知心理学をつなぐ初めての研究として重要な価値を得たことになります。

本研究成果は、米国の科学雑誌『Science』(1月21日号)に掲載されます。

背景

将棋やチェスなどのボードゲームでの思考過程は、相手の王をとる “詰み”に向けて、複雑な論理的予測の積み重ねと、直観的な飛躍との組み合わせで進行します。そのため、ボードゲームの名人たちの思考過程は、人間だけに高度に発達した思考の仕組みを解明する上で、古くから重要な研究対象でした。

特に、チェスに関する認知心理学では長い歴史があります。1950年代には、チェスの局面を提示し、考えていることをすべて声に出しながら、最適な次の一手を決めてもらう実験が行われました。声に出した考えの過程を記録して、世界トップクラスの熟達者と街クラブの愛好家の間で比較すると、読みの深さ(何手先まで検討するか)と広さ(どれだけ多くの手の広がりを検討するか)にはほとんど差がありませんでした。しかし、熟達者では最善手が読みの初めの方に出てきたのに対し、愛好家では多数の読みの中からしばしばもれていることがありました。この現象は、熟達者による最適な次の一手は長考の末に導き出されるのではなく、長考の前にすでに直観的に導き出されていることを示します。

また、チェスの盤面に対する記憶能力も調べられました。短時間見た盤面を再現する能力は、熟達者の方が愛好家よりも格段に優れており、通常知られる短期記憶の容量をはるかに上回っていました。この現象を認知心理学では、熟達者は数個の駒からなる定型的な駒配置を数多く長期記憶に蓄えていて、これらの駒配置を組み合わせて盤面の短期記憶に利用している、と説明しました。

さらに認知心理学では、この熟達者の優れた直観能力と短期記憶を関連づけました。つまり熟達者は、長い訓練と対戦経験によって、定型的な駒配置と最適な次の一手を連想記憶でつなげており、駒の配置を見るだけで最善手を導き出すことができる、と考えたのです。しかし、このような推測が正しいか、また正しいとしてもその心理過程がどのような脳活動によって引き起こされているかは全く分かっていませんでした。

将棋のプロ棋士たちも、次の一手は「直観的に」頭の中に浮かんできて、残りの持ち時間は、この直観的に浮かんだ指し手の他に良い指し手がないかを確認したり、心理的な駆け引きのために費やす、というコメントを繰り返し述べています。そこで研究グループは、プロ棋士たちが戦局を素早く理解して、最適な次の一手を直観的に思いつく神経基盤を明らかにすることを目指しました。

研究手法と成果

(1)将棋の盤面を見たときに活動する脳領域(盤面知覚課題)

プロ棋士11名(4段~7段)と高段位アマチュア棋士8名(3段~5段)、中段位アマチュア棋士9名(2級~1段)の3グループの協力を得て実験を行いました。MRI装置の中に被験者が入り、さまざまなカテゴリーの写真(図1A)を見る課題(盤面知覚課題)を行ってもらったところ、プロ棋士だけ、頭頂葉の後部内側にある楔前部(けつぜんぶ)と呼ぶ領域で、実戦的な将棋の盤面(序盤と終盤)に特異的な活動を見いだしました(図2)。この楔前部領域は、将棋の駒をランダムに配置した盤面やチェス、中国将棋の盤面を見たときの活動は低かったことから、実戦盤面での定型的な駒組に特異的に反応すると考えられます。

(2)次の一手を直観的に導き出すときに活動する脳領域(直観的思考課題)

盤面を知覚した後、次の一手を直観的に選択するときに活動する脳の領域を探すため、プロ棋士17名(4段~9段)と高段位アマチュア棋士17名(2段~4段)の2グループの協力を得て、MRI装置内で詰め将棋の問題(または必至問題)を解いてもらいました(直観的思考課題)。その際、被験者に最適な次の一手をじっくりと探してもらうのではなく、直観的に選択してもらうため、問題の提示時間を短く(1秒)し、回答を2秒以内に4択から選ぶという工夫を行いました(図3A上)。課題遂行中のプロ棋士では、大脳皮質のいくつかの領域と、大脳基底核にあるオタマジャクシの形をした尾状核の頭の部分(尾状核頭部)で活動がありました(図4上)。しかし、次の一手を考える必要がないコントロール課題(図3A下)では、大脳皮質の領域で活動があるものの尾状核では活動がありませんでした。そこで、直観的思考課題に特異的な活動を探すため、直観的思考課題中の脳活動からコントロール課題中の脳活動を差し引いたところ、尾状核の活動だけを見いだすことができました(図4中)。また、じっくり考えて次の一手を選択する長考課題(図3B)では、大脳皮質の活動だけがあり、尾状核の活動はありませんでした(図4下)

一方、アマチュア棋士では、直観的思考課題と長考課題で共通して大脳皮質の活動だけがあり、尾状核の活動は現れませんでした(図5)

これらの結果は、尾状核の活動がプロ棋士の優れた直観的思考の神経基盤であるという実験的証拠となりました。

(3)楔前部と尾状核の関係

次に、楔前部と尾状核の活動の関係を調べるため、各試行(直観的思考課題とコントロール課題)でこれら2つの脳領域の信号変化の相関を計算したところ、プロ棋士だけが、コントロール課題に比べて直感的思考課題で楔前部と尾状核の活動の変化が有意に正の相関をしていることが分かりました。この結果は、盤面知覚に関わる楔前部の活動と次の一手の導出に関わる尾状核の活動が連動していることを表します。

今後の期待

私たちの目から入った信号は、後頭葉の視覚領域から楔前部さらに前頭前野の背外側部という大脳皮質の神経回路を経て大脳基底核の尾状核へ伝わります。この神経回路に加えて、楔前部から尾状核の一部へ直接つながる神経回路も存在します。プロ棋士の脳では楔前部と尾状核の脳活動に相関が見られたことから、プロ棋士は、将棋盤面の状況を楔前部で処理した後、尾状核へ情報を送って次の一手を導き出すのではないかと示唆することができます。将棋ではあえて駒を相手に取らせて(捨て駒)“詰み”を目指す戦法があり、最善手を導き出すには、短期的に損をしても最終局面を目指すということも時には必要です。これまで尾状核をめぐる神経回路は、目的達成に向けた複雑な行動を選択するときに活動するとされていますが、プロ棋士が直観的に次の一手を導き出すときも、この複雑な思考回路が活動しているのかもしれません。

プロ棋士は何年もの間、毎日3~4時間の集中した練習を行います。この集中した長時間の練習を通して、初めは大脳皮質内の神経回路だけで行われていた将棋の思考過程が、大脳皮質の楔前部と大脳基底核にある尾状核を直接結ぶ神経回路に埋め込まれていくのではないか、と研究グループは考えています。

将棋における直観の解明は、文化の中で育てられた脳の働きの解明、人間に固有の知性解明への突破口となります。また、高技能技術者からの技能の継承といった教育や、複雑化する情報システムの安定運用に向けて、この直観の脳回路を応用する情報技術に広く展開されることが期待できます。さらに、人工知能やこれまでのコンピューターと異なる人間型コンピューターにつながる可能性も秘めています。

原論文情報

  • Wan X, Nakatani H, Ueno K, Asamizuya T, Cheng K and Tanaka K (2011) The neural basis of intuitive best next-move generation in board game experts. Science http://www.sciencemag.org/

発表者

理化学研究所
脳科学総合研究センター 心と知性への挑戦コア 認知機能表現研究チーム
チームリーダー 田中 啓治(たなか けいじ)
Tel: 048-467-9342 / Fax: 048-467-7100

お問い合わせ先

脳科学研究推進部 企画課
Tel: 048-467-9757 / Fax: 048-462-4914

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当
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産業利用に関するお問い合わせ

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補足説明

  1. 直観
    直観(intuition)=推理を用いず、直接に対象をとらえること(出典:三省堂大辞林)。 この直観(intuition)過程はプロ棋士では日常的に起こるもので、まれなものとしてふいに起きるインスピレーション(inspiration)とは異なる。研究チームがプロ棋士をインタビューしたところ、実戦の中でプロ棋士がインスピレーションに頼ることはほとんどないとのことであった。
  2. 機能的磁気共鳴画像(fMRI)
    神経活動にともなう血管中の酸素代謝量の変化をMRIを用いて測定することにより、神経の働き(活動状態)を調べる方法。

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盤面知覚課題

図1 盤面知覚課題

(A)提示する画像

上段:ボードゲームに関連する画像カテゴリー5種類。 左から、プロ対局戦で実際にあった序盤と最終局面の終盤、将棋のルールに従っているが実戦にはないように駒の配置をランダムに入れ替えたランダム配置、ボードゲームの仲間のチェスの盤面 中国将棋の盤面。

下段:ボードゲームとは無関係のカテゴリー4種類。 左から、物体、顔、風景、ピクセルを入れ替えて作成したランダムパターン。

(B)課題の流れ

あるカテゴリーの画像だけを提示する画像提示ブロック(カテゴリー1、2、3・・・)と、視線を向ける十字だけを提示するブロックを12秒おきに見せる。画像提示ブロックでは、1つのカテゴリーの中から24枚の刺激を1秒に2枚ずつ間隔をあけて順に提示する。

将棋盤面の知覚に関わる領域

図2将棋盤面の知覚に関わる領域

(上)プロ棋士が実戦的な将棋盤面(序盤と終盤)を知覚すると、大脳皮質頭頂葉の後部内側の楔前部(黄緑色の丸で囲んだ黄色と赤色の領域)に特異的な活動が現れた。

(下)いろいろな刺激を見たときの楔前部の脳活動の時間経過。左はプロ棋士、右は中段位アマチュア棋士。灰色の横棒で示した12秒の間に24個の刺激を提示した。

直観的思考課題と長考課題

図3  直観的思考課題と長考課題

(A)直観的思考課題とコントロール課題それぞれ一試行の流れ

上段:直観的思考課題 被験者に詰め将棋か必至問題の盤面を1秒間だけ提示する。被験者はこの間に最終的に“詰み”につながる次の一手を考え出す。続いて提示された4択の選択肢から、被験者は考えた手を選ぶ。2秒以内に答えると、自分の回答に自信があるかどうか、この盤面に見覚えがあるかどうかについて質問を受け、見覚えがあると答えた試行は画像解析には使わない。残りの時間は、今見たばかりの問題についてこれ以上考えないように、次々と提示される駒から金の駒にだけ反応(ボタン押し)する課題を行う。

下段:コントロール課題 対照実験となるコントロール課題では、詰め将棋や必至問題の代わりに対戦序盤の敵陣を見て、相手の王の位置を4択の中から選ぶ。

(B)長考課題の1試行の流れ

直観的思考課題で解けなかった問題についてだけ、直観的思考課題がすべて終了した後に行う。画面が現れるところまでは同じであるが、この課題では盤面が最大8秒間提示されるので、次の一手をゆっくり考えることができる。残り時間は、この思考の影響が次の試行での脳活動に及ばないように、次々と提示される駒から金の駒にだけ反応する課題を行う。

直観的思考に関連する脳活動(上)とプロ棋士固有の脳活動(下)

図4  直観的思考に関連する脳活動(上)とプロ棋士固有の脳活動(下)

(上)直観的思考課題中のプロ棋士の脳の図 大脳皮質の数個所の領域に加えて、大脳基底核の尾状核に活動があった。

(中)直観的思考課題中の脳活動からコントロール課題中の脳活動を差し引いた図 直観的思考課題中に有意に活動が大きかった領域は尾状核だけであった。

(下)長考課題中の脳活動の図 大脳皮質の数個所の領域だけで活動が増大した。

アマチュア棋士の直観的思考課題と長考課題での脳活動

図5 アマチュア棋士の直観的思考課題と長考課題での脳活動

(上)直観的思考課題中のアマチュア棋士の脳の図 大脳皮質の数個所の領域だけが活動した。

(中)直観的思考課題中からコントロール課題中の脳活動を差し引いた図 直観的思考課題中に有意に活動が大きかった領域はなかった。

(下)長考課題中の脳活動の図 大脳皮質の数個所の領域だけで活動が増大した。

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