学習 learning

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9-25-2017 updated

  1. 概要: 学習 learning とは
  2. 学習に関係する用語の解説
    • 強化学習 Reinforcement learning
    • オペラント学習 Operant learning
    • 恐怖条件付け Fear conditioning
  3. 学習の効果が確認されている生物
  4. 関係する脳領域

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概要:学習 learning とは

定義 definition

学習 learning とは、新しい情報や知識を習得すること である (1)。

動因

学習には、それを推進するための動機 motivation が必要であり、それは報酬 reward として与えられるのが一般的である。動物実験では飢餓 - 餌の系が報酬としてよく用いられているが、両生類ではこれが困難で、代わりに乾燥 - 水などで成功している例がある (2R)。


学習に関係する用語の解説

学習には、数多くの種類がある。強化学習の項で述べるレバー実験は、強化学習でありかつオペラント学習であるように、以下の項目は排他的なものではない。

強化学習 reinforcement learning

強化学習 reinforcement learning は、機械学習 machine learning の中の一分野であるが、本来は動物心理学または動物行動学で用いられた概念である(3)。

動物に、ある行動を起こしたときに何らかの報酬 reward を与えるようにすると、その行動が強化 reinforcement され、同じ行動を繰り返すようになる (1)。このような学習パターンを強化学習と呼び、学習に関する行動試験 behavioral test の多くはこの強化学習を使っている。

> ラットので、自己電気刺激 electrical self-stimulation が報酬になることを示した有名な実験がある (1)。

: 1950 年代初期に Olds & Milner によって行われた。
: ラットの脳に電極を埋め込み、箱の中のレバーを押すと電流が流れるようにする。
: ラットはこの電気刺激を好み、次第にレバーを繰り返し押すようになった。衰弱するまでやめなかった。
: 電極が VTA からPFC に投射するドーパミン作動性神経に沿った部分にあるとき、最も効果的だった。

この実験から、ドーパミン系と報酬系の関係が示唆された。


オペラント学習 Operant learning

Operant は「自発的な」という意味で、実験的には 自発的なレバー押し行動を指標として測定された学習 のことをいう (6)。レバーを設置したケージで、ラットがレバーを押すことによって餌が報酬として与えられるような実験である。レバー押し行動は偶然には生じないので、信頼性の高い結果を得ることができる。以下のようなバリエーションがある。

  • レバーを押すと電撃を回避できる、など罰刺激による実験
  • 餌ではなく、上の例のような電気刺激や薬物を報酬として与える実験。

恐怖条件付け Fear conditioning

ラットもしくはマウスをチャンバーに閉じ込めて、ライト、ブザーなどの条件刺激の提示下で電撃などを与える。条件と電撃を結びつける fear conditioning が成立すると、同じチャンバーに入れて条件刺激を提示しただけで、 フリージング (freezing) 行動が見られるようになる (6)。

条件刺激を使用せず、チャンバーと電撃の関係を結びつけさせる学習は contextual fear learning と呼ばれる。

> 電撃の前に十分な時間を与えられないと、context conditioning は生成されない (5)。

学習の効果が確認されている生物

正刺激の逆転を繰り返すことで習得速度が速くなることを 漸次的改善 (PI, progressive improvement) 効果 という (2I)。

> PI がどの分類群の生物で認められるかは、学習の進化を考える上で重要である (2I)。

: サル、ラット、ハトでは、位置課題および視覚課題のそれぞれで認められる。
: 爬虫類のカメを用いた弁別逆転学習では、PI 効果は位置課題のみで観察された。
: 両生類では、アカハライモリで視覚弁別学習が可能なことが報告されてた (2R)。
: 硬骨魚類では、位置課題、視覚課題のいずれでも PI 効果が確認されていない。




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References

  1. ベアーほか 2007a (Book). 神経科学 脳の探求. 西村書店.
  2. 木村他 2013a. アカハライモリ (Cynops pyrrhogaster) における水強化を用いた同時視覚弁別学習. Jpn J Anim Psychol, 63、87-93.
  3. 強化学習 (Reinforcement Learning) Web.
  4. 行動薬理学のススメ. Web.
  5. Fanseslow & Dong 2010a (Review) Are the dorsal and ventral hippocampus functionally distinct structures? Neuron 65, 7-19.

参考図書

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