教 育 にお ける脳機 能 の評価 と改善 に向 けた支援二方法 の検討

教 育 にお ける脳機 能 の評価 と改善 に向 けた支援二 方法 の検討

池 田 千 晶*・ 成 田 正 明**・ 成 田 奈 緒 子***

Neurophysiological evaluation of the brain function under environmental stimuli to apply for schoolroom activities

Chiaki IKEDA, Masaaki NARITA, Naoko NARITA

1.は じ め に

子 ど も や子 ど もを取 り巻 く環 境 が 変 わ っ た とい わ れ て 久 しい が')、学 校 現 場 で は 、 子 ど もが 生 き る力 を は ぐ くみ2)、 自 己 実 現 して よ り よ く生 き られ る よ う に 、様 々 な教 育 活 動 の 工 夫 を して い る。 そ の 中の 一 つ と して、 教 育 環 境 の あ り方 が教 育 効 果 に大 き く影 響 す る可 能 性 が あ る こ と は多 くの 人 が 感 じて お り、 様 々 な実 践 例 も報 告 さ れ て い る3)4)。こ こで い う教 育 環 境 とは 、 物 的 環 境 ・人 的 環 境 を さす 。 物 的 な 環 境 とは 、 子 ど もを と りま く様 々 な 音 、 子 ど もの 生 活 空 間 で あ る建 物 、 あ る い は 自然 な ど多 くの もの が あ げ ら れ る 。 また 、 人 的環 境 と は、 家 族 や 友 だ ちや 教 師 や 地 域 の 人 々 との か か わ り、 子 ど もの 気 分 や使 わ れ る 言 葉 な ど、 これ も ま た 、様 々 な も のが あ げ ら れ る。

例 え ば 教 師 は 日常 的 に静 か に 学 習 す る よ う に指 示 を出 す 。 また 、 子 ど も達 が発 す る ネ ガ テ ィ ブ な言 葉 や 態 度 は 、気 分 や 情 動 を変 化 させ る。 この よ う な物 的 ・人 的 な環 境 は 学 習 効 果 に な ん ら か の 影 響 を与 え る可 能 性 が あ る 。 谷 崎 らは 、 各 種 刺 激 音 下 で の語 音 聴 取 時 の前 頭 葉 活 性 変 化 を調 べ 、

「小 川 の せ せ ら ぎ音 」 「な ん とな い ざ わ め き音 」 に 比 較 し 「製 材 機 械 音 」 で の 変 化 が 大 きい こ と を 報 告 した5)。 ま た 情 動 の変 動 は脳 機 能 の 変 化 と して 観 察 され 、 例 え ば不 安 や 恐 怖 を感 じる と き に は、 右 側 前 頭 葉 の 活 性 が 抑 制 され 、 左 右 非 対 称 な 前 頭 葉 の活 性 化 パ タ ー ンが 認 め られ る こ とが 分 か っ て い る6)。

こ の よ うな知 見 をふ ま え我 々 は、 特 に騒 音 環 境 と静 寂 環 境 の差 異 、 及 び惹 起 され る情 動 か ら受 け る影 響 につ き、 そ れ ぞ れ 簡 単 な計 算 タス ク を試 行 す る こ と に よ り学 習 効 果 と して 測 定 して 比 較 す る こ と を試 み た 。 ま た 、 タス ク試 行 中 の前 頭 葉 機 能 を測 定 す る た め に 、 近 赤 外 線 酸 素 モ ニ タ ー (near‑infraredspectroscopy、NIRS)を 用 い て 酸 素 化 ヘ モ グ ロ ビ ン濃 度 を測 定 す る 方 法 を 用 い た。

こ れ に よ り、 物 的 ・人 的環 境 に よ る児 童 の学 習効 果 へ の影 響 を、 脳 科 学 的 に 実 証 す る こ と を試 み た 。

*い け だ ち あ き

**な りた ま さ あ き

***な りた な お こ

横浜市立千秀小学校/文 教大学生活科学研究所客員研究員 三重大学大学 院医学系研究科

文教大学教育学部

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2.対 象

小 学 校 に健 常 児 と して通 学 す る46名(男 子19名 、 女 子27名 、 年 齢8歳 〜12歳:平 均9歳)を 対 象 被 験 者 と した 。 被 験 者 に は 、 実 験 前 に 趣 旨 を 口頭 と文 書 で 説 明 した 後 同 意 を得 、 必 要 な 場 合 に は 、文 書 で 承 諾 書 を得 て 試 行 した 。

3.方 法

(1)計 算 タ ス ク

本 研 究 に お い て は 、 独 自 に作 成 し た計 算 タ ス ク を用 い て 学 習 効 果 の 判 定 を行 っ た 。 計 算 タス ク は タス ク 毎 に全 く異 な る小 学1年 終 了 程 度 の 同 難 易 度 の 問 題 で 構 成 さ れ て お り、 前 半 は視 覚 に よる 出 題12問 、 後 半 は 聴 覚 に よ る 出 題12問 、計24問 で あ る(図 表1‑A)。 ま た 、 各 問 題 は 五 秒 ご と にPCか ら 自動 的 に 出 題 され る よ う に 設 定 さ れ 、 前 半1分 、 後 半1分 の合 計2分 間 の タス ク とな る 。

(2)静 寂 環 境 刺 激 と教 室 騒 音 刺 激

静 寂 環 境 刺 激 に お い て は 、 静 寂 な研 究 室 、 ま た は小 学 校 の相 談 教 室 な ど騒 音 の な い 教 室 を用 い て実 験 を行 っ た 。 こ れ に対 し教 室 騒 音 刺 激 は 、 学 校 の教 室 で 録 音 した子 ど も の声 をICレ コ ー ダ ー か ら流 し なが ら タ ス ク を試 行 し た 。 い ず れ の 刺 激 にお い て もそ の 前 後 に、 ビデ オ視 聴(な か え よ しを 、 上 野 紀 子:ね ず み くん の チ ョ ッキ 、 ポ プ ラ社 、 東 映 ビ デ オ 、 東 北 新 社 、2006)に よ る安 静 時 間 を確 保 し、 影 響 を排 除 した 。 図 表1‑Bに 全 体 の実 験 の 流 れ を示 す 。

ま た 、 静 寂 環 境 刺 激 と教 室 騒 音 刺 激 の順 番 は被 験 者 に よ っ て ラ ン ダ ム に 変 更 し、 刺 激 の 順 番 に よる 学 習 効 果 の 影 響 を考 慮 した。

(3)情 動 刺 激 負 荷

情 動 刺 激 と は 、情 動 想 起 と言 語 復 唱 か ら な り、 ポ ジ テ ィ ブ 情 動 刺 激 とネ ガ テ ィブ 情 動 刺 激 の 二 種 類 か らな る 。 ポ ジ テ ィ ブ情 動 刺 激 で は 「今 まで で 一 番 嬉 しか っ た こ と」 を想 起 し言 語 化 さ せ た後 に5種 類 の ポ ジ テ ィ ブ言 語 を実 験 者 の 後 に復 唱 した 。 ネ ガ テ ィ ブ情 動 刺 激 で は 、 「今 ま で で 一番 悔 しか っ た こ と」 を想 起 し言 語 化 させ た 後 に5種 類 の ネ ガ テ ィ ブ 言 語 を実 験 者 の後 に復 唱 した 。 そ して 情 動 刺 激 の 直 後 に計 算 タス ク を試 行 し た 。 全 体 の 流 れ を図 表1‑Cに 示 す 。 ポ ジ テ ィブ 情 動 刺 激 とネ ガ テ ィ ブ情 動 刺 激 の 順 番 は被 験 者 に よっ て ラ ン ダ ム に 変 更 し、 刺 激 の 順 番 に よる 学 習 効 果 の 影 響 を考 慮 した。

(4)近 赤 外 線 酸 素 モ ニ タ ー(near‑infraredspectroscopy、NIRS)に よ る前 頭 葉 機 能 の測 定 NIRSは 、 組 織 に 光 フ ァイ バ ー を介 して 近 赤 外 線 を照 射 し反 射 して き た近 赤 外 線 の 減 衰 を測 定 し、脳 組 織 内 の 酸 素 化 ヘ モ グ ロ ビ ン(以 下02Hb)と 脱 酸 素 化 ヘ モ グ ロ ビ ン(以 下HHb)濃 度 の 変 化 を計 測 す る こ と に よ り組 織 内 の 酸 素 状 態 を経 時 的 に観 察 す る こ とが で き る7)。今 回 の 実 験 に用 い たNIRO‑200(浜 松 ホ トニ ク ス 社)は 、 変 形Beer‑Lambert法 に基 づ き計 測 を行 っ て い る 。 こ の と き、 個 体 間 の 光 路 長 の偏 移 に つ い て は 、 既 鞭'2)、 及 び 浜 松 ホ トニ ク ス社 の マ ニ ュ ア ル に 従 い 、 ほ ぼ 一 定 で あ る と仮 定 して 、 ベ ー ス ラ イ ンか らの 吸 光 度 の 変 異 を も と に02HbとHHb濃 度 の 測 定 を行 っ た8,13,14)。今 回 の 被 検 者 で あ る小 児 に つ い て は 照 射 プ ロー ブ と検 出 プ ロ ー ブ の 間 隔 を3cmに 設 定 し、 前 額 部 左 右 に両 面 シ ー ル を用 い て 固 定 し、 ア ー チ フ ァ ク トを避 け る た め に

上 か ら黒 色 の ヘ アバ ン ドを巻 い た 。

対 象 被 検 者 の うち 、 同 意 が 得 ら れ た8歳 〜12歳 ま で の 健 常 児7名(男 児0名 、 女 児7名)に お い てNIRO‑200を 用 い た左 右 前 頭 葉 にお け る 酸 素 化 ヘ モ グ ロ ビ ン(02Hb)濃 度 測 定 を行 っ た 。 得 られ た0、Hb濃 度 変 化 の相 対 値 は 、 タ ス クや 刺 激 の時 間 ご と に解 析 を行 い 、 そ れ ぞ れ の タ ス ク ご との変 化 や 刺 激 ご との 比 較 を行 っ た。

(5)結 果 の解 析

学 習 効 果 の判 定 を 、 計 算 タス ク の誤 答 数 の比 較 に よ っ て行 っ た 。 刺 激 の種 類 に よ る変 動 を統 計 学 的 に解 析 し、p<0.05を も っ て有 意 差 と した 。

図 表1刺 激 とタス クの概要

A

視 覚 に よ る出 題 例1聴 覚 に よ る出 題 例1視 覚 に よる 出題 例2聴 覚 に よる 出 題 例2

(1分 間)(1分 間)(1分 間)(1分 間)

1十3=4 3十4=7 2十7=9 5十6=11 7‑1‑7=14 b十7=13

5‑1=4 8‑5=3 9‑2=7 12‑2=10 10‑6=4 13‑8=56

2十2=4 1十7=8 3十6=9 4‑1‑8=12 3十8=11 9十6=15 6‑1=5 9‑5=4

・ 14‑4=10

12‑3=9 15‑7=8

1十5=6 2十5=7 6十2=8 5十8=13 7‑1‑9=16 9十9=18

8‑1=7 7‑5=2 9‑7=2 17‑7=10 11‑3=8 14‑9=5

1十4=5 3‑1‑5=8 4‑1‑4=8 4十7=11 8十6=14 9十8=17 9‑1=8 6‑5=1 9‑6=3 18‑8=10 12‑4=8 16‑7=9

B

安静2分

計 算 タ ス ク

安静2分

計 算 タス ク

安 静2分 視覚

1分 聴 覚

1分

視覚 1分

聴 覚 1分 一

青争寂環境朿晒激 教室騒音刺激

一

静寂環境刺激 教室騒音刺激

C

安静2分 情動

刺激

計 算 タス ク

安静2分 情 動 刺 激

計 算 タス ク 視覚 安静2分

1分 聴覚

1分

視 覚 1分

聴 覚 1分

情 動 刺 激:ポ ジ テ ィ ブ言 語(う れ しい 、 あ りが と う、 さす が 、 や った 、 わ た しっ て天 才) 情 動 刺 激:ネ ガ テ ィ ブ言 語(い や だ 、 ゆ る さな い 、 だ め だ なあ 、 む り、 わ た しっ て最 低) A計 算 タス ク

実験 に用 い た計 算 タスク の一例 を示 す 。同一被 験 者 に対 して同一 の問題 が行 われ ない よ う、

計96問 の同難 易度 の設 問 を用 い た。

B静 寂環境 刺 激 ・教 室 騒音 刺激負 荷 実験 の流 れ

静 寂環境刺 激 ・教 室騒 音刺 激 を負荷 しなが ら計算 タス クを試 行 C情 動刺 激負荷 実験 の流 れ

情動 刺激 負荷 後 に計算 タス ク を試行

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4.結 果

(1)静 寂 環 境 刺 激 と教 室 騒 音 刺 激 下 に お け る学 習 効 果

全 被 験 者 で の 静 寂 環 境 刺 激 、教 室 騒 音 刺 激 下 に お け る計 算 タス ク の 誤 答 数 を 図1に 示 す 。 静

静 寂 環境 刺激 教 室騒 音刺 激

図1静 寂 環 境 刺 激 ・教 室 騒 音 刺 激 負 荷 中 の 計 算 タ ス クの 誤 答 数 の 比 較

静 寂 環 境 刺 激 下 で の 誤 答 数 の 平 均(左 側 グ ラ フ)は2.7+1‑0.4問(mean+/.SEM)、 教 室 騒 音 刺 激 下 で の 誤 答 数 の 平 均(右 側 グ ラ フ)は3。6+1‑05問(mean+/‑SEM)で あ っ た 。*∫KO.01(Wilcoxonの 符 号 付 き 順 位 検 定 に よ る)

静寂 →教 室 騒 音 教 室騒 音 → 静寂

図2タ ス ク試 行 の順番 に よ る静 寂環 境 ・教室 騒音 刺激 負荷 中 の計 算 タス ク誤 答数 増加 人数 の比 較 教 室 騒音 刺 激 か ら静寂 環 境刺 激 の順 で 行 っ た群(左 側 グ ラ フ)と 比較 し、静 寂 環境 刺激 か ら教 室 騒 音刺 激 の順 番 で行 った群(右 側 グラ フ)に お い て、教 室騒音 刺 激 での誤 答数 が増 加 して い る児 が 多 い。

寂 環 境 刺 激 下 で の誤 答 数 の 平 均 は2.7+1‑0.4問(mean+1‑SEM)、 教 室 騒 音 刺 激 下 で の誤 答 数 の 平 均 は3.6+1‑0.5問(mean+/‑SEM)で あ り、教 室 騒 音 刺 激 下 で の 誤 答 数 の 増 加 が み られ た 。 これ ら は 、Wilcoxonの 符 号 付 き順 位 検 定 にお い て 、P<0.01の 有 意 差 を認 め た 。 ま た 、 刺 激 を行 っ た 順 番 に よ り分 類 した 結 果 を 図2に 示 す 。 教 室 騒 音 刺 激 か ら静 寂 環 境 刺 激 の順 で 行 っ た の と比 較 し、

静寂 環 境 刺 激 か ら教 室 騒 音 刺 激 の 順 番 で 行 っ た もの の 方 が 、教 室 騒 音 刺 激 で の 誤 答 数 が 増 加 し て い る児 が 多 い 。

(2)情 動 刺 激 負 荷 と 学 習 効 果

全 被 験 者 で の ポ ジ テ ィ ブ 情 動 刺 激 、 ネ ガ テ ィ ブ 情 動 刺 激 後 に 行 っ た 計 算 タ ス ク の 誤 答 数 を 図 3に 示 す 。 ポ ジ テ ィ ブ 情 動 刺 激 後 の 誤 答 数 の 平 均 は2.8+1‑0.5問(mean+/‑SEM)、 ネ ガ テ ィ ブ 情 動 刺 激 後 の 誤 答 数 の 平 均 は3.8+/‑o.5問(mean+/‑SEM)で あ り 、Wilcoxonの 符 号 付 き 順 位 検 定 に お い て 、P̀く0.005の 有 意 差 を 認 め た 。 こ れ を 、 静 寂 環 境 刺 激 下 で の 誤 答 数 を 標 準 と し て そ れ ぞ れ 増 減 を 算 出 し、 そ の 平 均 を 図4に 示 し た 。 ポ ジ テ ィ ブ 情 動 刺 激 で は 、 静 寂 環 境 刺 激 と比 較 し誤 答 数 が0.2+1‑0.3問(mean+/‑SEM)と ほ ぼ 同 程 度 で あ っ た の に 対 し 、 ネ ガ テ ィ ブ 情 動 刺 激 で は 1.2+/‑0.3問(mean+/‑SEIVI)と 大 き く増 加 し て い た 。 こ れ は 、t検 定 でP<0.05の 有 意 差 を 認 め る 結 果 で あ っ た 。

ま た 、 こ れ ら ポ ジ テ ィ ブ 情 動 刺 激 下 と ネ ガ テ ィ ブ 情 動 刺 激 下 で 行 っ た 計 算 タ ス ク の 誤 答 数 に つ い て は 順 番 の 効 果 に 関 係 な く ネ ガ テ ィ ブ 情 動 刺 激 後 の 計 算 タ ス ク に お い て 、 誤 答 数 が 増 え て い る 児 が 多 い 傾 向 が み ら れ た(図5)。

(3)NIRSに よ る酸 素 化 ヘ モ グ ロ ビ ン濃 度 の 変 化

図6にNIRSで 測 定 した02Hb濃 度 変 化 の グ ラ フの うち 、 典 型 的 な健 常9歳 女 児 の 結 果 を示 す 。

ポ ジティブ情 動 刺 激 ネガテ ィブ情 報 刺 激 図3情 動 刺 激 負 荷 後 の 計 算 タ ス ク の 誤 答 数 の 比 較

ポ ジ テ ィブ 情 動 刺 激 後 の 誤 答 数 の 平 均(左 側 グ ラ フ)は2.8+/‑05問(mean+/‑SEM)、 ネ ガ テ ィ ブ 情 動 刺 激 後 の 誤 答 数 の 平 均(右 側 グ ラ フ)は3.8+/‑05問(mean+/‑SEM)で あ っ た 。*、ρ<0.005(Wilcoxonの 符 号 付 き順 位 検 定 に よ る)

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1.8 1.6

1.4

馨1.2 警1つ 籍 。.8 薗 。.6 0.4 0.2 0.0

ポジテ ィブー静 寂 ネガテ ィブー静 寂 (n=46)

図4静 寂 刺 激 を標 準 と した 情 動 刺 激 負 荷 後 の 計 算 タ ス クの 誤 答 数 の 変 化

静 寂 環 境 刺 激 下 で の 誤 答 数 を 標 準 と し て そ れ ぞ れ 増 減 を 算 出 した 平 均:ポ ジ テ ィ ブ 情 動 刺 激 で は 、 静 寂 環 境 刺 激 と比 較 し誤 答 数 が0.2+1‑0.3問(mean+1‑SEM)と ほ ぼ 同 程 度(左 側 グ ラ フ)で あ っ た の に 対 し、 ネ ガ テ ィ ブ 情 動 刺 激 で は1.2+1‑0.3問(mean+1‑SEM)と 大 き く増 加(右 側 グ ラ フ)し た 。

*〆0 .05(t検 定 に よ る)

ポジテ ィブ→ ネガテ ィブ ネガテ ィブ→ ポ ジテ ィブ

図5タ ス ク試 行 の順番 によ る情 動刺 激 負荷後 の 計算 タ スク誤答 数増 加 人数 の比較

ポジ テ ィブ情 動刺 激 か らネ ガテ ィブ情 動 刺激 の 川頁で行 っ た群(左 側 グラ フ)と 、 ネ ガ テ ィブ情 動刺 激 か らポ ジテ ィ ブ情 動 刺 激 の順 で行 った群(右 側 グラ フ)に お い て、 い ずれ もネ ガテ ィブ情 動 刺 激後 の誤答 数が増 加 してい る児 が多 い傾 向が み られた 。

*L ‑RdO ̲Hb₂

図6NIRSに よ る02Hb濃 度 の 変 化

静 寂 環 境 刺 激(A)、 教 室 騒 音 刺 激(B)、 ポ ジ テ ィ ブ 情 動 刺 激(C)、 ネ ガ テ ィ ブ 情 動 刺 激(D)試 行 中 に お け る 、 前 頭 葉 酸 素 化 ヘ モ グ ロ ビ ン濃 度 (0、Hb)の 経 時 変 化 、R=右L二 左

c:安 静 時 、t、:計 算 タ ス ク(視 覚 刺 激)時 、t、:計 算 タス ク(聴 覚 刺 激)時 、s:刺 激(ポ ジ テ ィ ブ情 動 刺 激 又 は ネ ガ テ ィ ブ 情 動 刺 激)時 を表 す 。

*:L‑R∠]0

、Hb刺 激 タ ス ク毎 の02Hb濃 度 変 化 の相 対 値 の 毎 秒 平 均(∠]0、Hb)を 左 側 右 側 ご と に算 出 し、 左 側 一右 側 で左 右 差 を算 出 した値(μmol加

図6‑Aは 静 寂 環 境 刺 激 下 で の02Hb濃 度 変 化 の 相 対 値 の結 果 で あ る。 静 寂 環 境 下 にお い て 計 算 タ ス クが 開 始 され る と、 右 側 、左 側 前 頭 葉 共 に02Hb濃 度 の 上 昇 が観 察 さ れ 、 活 性 が 上 昇 して い る こ とが わ か る 。 こ の 児 の場 合 は 右 側 優 位 に 推 移 して い る こ とが 観 察 さ れ た 。 こ の 児 に お い て 、 教 室 騒 音 刺 激 下 で 計 算 タ ス ク を行 っ た際 の02Hb濃 度 の変 化 を図6‑Bに 示 す 。 静 寂 環 境 刺 激 と同 様 計 算 タス クの 開始 と と も に02Hb濃 度 の 上 昇 が 観 察 され 、 前 頭 葉 機 能 が 活 性 化 して い る こ とが 示 唆 され る が 静 寂 環 境 刺 激 と比 較 す る と 、左 右 差 が 縮 ま り、 特 に聴 覚 に よ る 計 算 タ ス ク 中 の 02Hb濃 度 の 相 対 値 が 大 き く上 昇 して い る こ とが 観 察 され た 。

一 方、 ポ ジ テ ィ ブ情 動 刺 激 に お い て は、 情 動 刺 激 を行 って い る 間 に0、Hb濃 度 の 上 昇 が 観 察 さ れ 、 こ の う ち右 側 前 頭 葉 の 活 性 が 比 較 的 抑 制 さ れ る傾 向 が み ら れ 、左 右 非 対 称 な 波 形 を呈 す る 被 検 者 が 多 い こ とが 特 徴 的 で あ っ た 。 さ ら に計 算 タ ス ク 試 行 に よ り0・Hb濃 度 が 下 降す る傾 向が み られ 、 左 側 優 位 の 傾 向 が 左 右 同等 に変 化 して い る こ と も特 徴 的 で あ っ た(図6‑C)。 こ れ を数 値 化 す る た め に 、刺 激 タ ス ク 毎 の0、Hb濃 度 変 化 の 相 対 値 の 平 均(∠0、Hb)を 左 側 右 側 ご と に算 出 し、左 側 一右 側 で 左 右 差(L‑R∠102Hb)を 算 出 した 。 情 動 刺 激 にお い て は左 右 差 が0.97,umol/1 の差 が あ っ た も の の 、 計 算 タス ク(視 覚 刺 激)で は0.56μmol!l、 計 算 タス ク(聴 覚 刺 激)に お い て は0.20μmol/1と 減 少 し、 そ の 差 が 次 第 に収 束 した。 図6‑Dは 、 ネ ガ テ ィ ブ情 動 刺 激 の 結 果 で あ る 。 ポ ジ テ ィ ブ 情 動 刺 激 と同 様 に情 動 刺 激 の 間 、02Hb濃 度 の 上 昇 が 観 察 され 、 右 側 前 頭 葉 の活 性 が 比 較 的 抑 制 され左 右 非 対 称 な波 形 を呈 す る傾 向 が み られ た 。L‑R∠10、Hbは 情 動 刺 激 に お い て0.29μmol/1,計 算 タス ク(視 覚 刺 激)で は0.45μmol!l,計 算 タ ス ク(聴 覚 刺 激)で は0.62 μmol乃 と ポ ジテ ィ ブ情 動 刺 激 に比 較 し、 収 束 が 遅 れ る傾 向 が 観 察 され た 。

5.考 察

今 回 の 実 験 よ り、 教 室 騒 音 刺 激 下 で 、 有 意 に 誤 答 数 が 増 加 す る こ とが み とめ られ た 。 さ ら に 、 順 番 の 効 果 も認 め ら れ 、 静 寂 環 境 刺 激 か ら教 室 騒 音 刺 激 の 順 番 で 行 っ た と き に、 誤 答 数 が 増 え た児 が 多 か っ た こ とか ら、 も と も と静 か で あ っ た 環 境 に騒 音 が 発 生 す る と、 誤 答 数 が 増 加 し学 習 効 果 の低 下 が 起 こ りや す い とい う こ とが 示 唆 され た 。

ま た 、NIRSで の 前 頭 葉0、Hb濃 度 変 化 の相 対 値 測 定 に お い て 、 計 算 タス ク 試 行 中 の 前 頭 葉 の 活 性 化 が 観 察 さ れ 、 今 回用 い た よ う な 比 較 的 難 易 度 の低 い 計 算 タ ス ク にお い て も従 来 の報 告 ど お りis‑z°〉前 頭 葉 機 能 を活 性 化 す る こ とが 明 ら か と な っ た 。 興 味 深 い こ と に、 教 室 騒 音 刺 激 下 で の 計 算 タス ク試 行 中 、 特 に聴 覚 か ら の 出 題 に お い て 明 らか に 静 寂 刺 激 に比 較 して前 頭 葉 の 活 性 上 昇 が 見 られ た 。 こ れ は 、 聴 覚 か ら の 騒 音 刺 激 の 中 か ら出 題 す る音 声 を選 別 す る た め 、 前 頭 葉 の 機 能 の 一 つ で あ る注 意 を惹 起 す る た め にお こ っ た 現 象5,21,22)では な い か と考 え られ る 。 す な わ ちPCか ら出 力 され る計 算 を試 行 す る とい う作 業 記 憶 を 選択 し維 持 す る た め に 、 刻 々 と入 っ て く る騒 音 刺 激 とい う情 報 を抑 制 した こ とが 推 測 さ れ る 。

一 方、 情 動 刺 激 後 の 計 算 タス ク で は 、 ネ ガ テ ィ ブ ・ポ ジ テ ィ ブ の順 番 に 関係 な く、 ネ ガ テ ィ ブ情 動 刺 激 後 に誤 答 数 の増 加 が 観 察 さ れ た 。 さ ら に 、 静 寂 環 境 刺 激 を標 準 と して も、 ネ ガ テ ィ ブ情 動 刺 激 で有 意 に誤 答 数 が 増 加 す る こ とが み とめ られ た 。 この こ と よ り、 否 定 的 な感 情 や 言 動 が 明 らか に学 習効 果 に負 の 影 響 を与 え る とい う こ とが 考 え られ た 。

NIRSで の 前 頭 葉0、Hb濃 度 変 化 の相 対 値 の 測 定 で は、 右 側 の活 性 が 抑 制 され 、 左 側 優 位 の 活 性 が 多 くの被 験 者 に お い て 認 め られ た。 これ は 、Tomarkenら が ポ ジ テ ィブ と ネ ガ テ ィ ブ な 感 情

が 、 前 頭 葉 の 脳 波 の 左 右 の 非 対 称 を誘 引 し非 対 称 と恐 怖 の 感 情 が 強 い 関 係 性 を 示 す こ と23・24>、

Melissaら は免 疫 機 能 と も関 係 して 情 動 想 起 刺 激 が 左 側 優 位 の脳 波 を示 す こ と6)、野 々 らは 直 接 自 己体 験 想 起 法 を用 い て 、 怒 り感 情 想 起 時 に左 前 方 大 脳 皮 質 が 活 動 した こ と25)を報 告 して い る こ とか ら も わ か る よ う に、 情 動 刺 激 に よる もの と思 わ れ る。

ま た 、 ポ ジ テ ィ ブ 情 動 刺 激 に比 較 しネ ガ テ ィ ブ情 動 刺 激 に お い て は 、 左 右 の乖 離 が 遷 延 した 。 こ れ は、Jiongjiongら の報 告 に あ る よ う に、 精 神 的 な ス ト レス は ネ ガ テ ィ ブ な 情 動 と警 戒 を 誘 引 し、 ネ ガ テ ィ ブ な 感 情 は、 右 の 前 頭 葉 の 活 性 低 下 を引 き延 ば す とい うこ と と関 連 して い る も の と 思 わ れ る26)。脳 機 能 、 特 に前 頭 葉 機 能 につ い て は 、 近 年 様 々 な画 像 診 断 法 や光 トポ グ ラ フ ィ ー な どの技 術 の進 歩 に よ り研 究 が 進 め られ て い る。 今 回 の 実 験 に用 い た よ うな計 算 タス ク を行 っ てい る 際 に は、 前 頭 葉 の左 側 前 頭 葉 中央 部 及 び 両 側 の側 頭 葉 下 部 と後 頭 葉 皮 質 の 部位 で の認 知 機 能 を 賦 活 化 して対 応 して い る こ とが こ れ まで に報 告 され て い る'7・19)。情 動 も また 前 述 した よ う に前 頭 葉 の 活 性 変 化 を 引 き起 し、特 に右 側 で の 活 性 低 下 が ネ ガ テ ィブ な情 動 刺 激 で 回復 が 遅 れ 、左 右 前 頭 葉 活 性 の差 が 遷 延 す る こ と を考 え合 わ せ る と、 今 回 の実 験 で 明 らか に な った ネ ガ テ ィブ 情 動 刺 激 に お け る誤 答 数 の 増 加 、 つ ま り学 習効 果 の 低 下 は 、 ネ ガ テ ィ ブ情 動 想 起 に よ る前 頭 葉 機 能 の相 対 的 な 低 下 に よる もの と結 論 付 け る こ とが で きる 。

可 塑 性 を持 つ脳 は、 生 後 の 環 境 刺 激 に よ りそ の シナ プ ス の 数 を飛 躍 的 に増 大 させ る こ とが 知 ら れ て い る 。 時 実 は著 書 の 中 で 神 経 細 胞 の 突 起 が 伸 び て い く様 子 を述 べ て い るが27)、Volkmarら は 環 境 の 豊 か な ほ ど神 経 細 胞 の樹 状 突 起 の 枝 分 か れ が 多 くな り複 雑 な神 経 回路 が 形 成 され る だ け で な くシ ナ プス を増 や す こ と を報 告 し て お り28)、ま たKempermannら も知 的 刺 激 の貧 しい環 境 下 で 育 て ら れ た マ ウス に比 べ,刺 激 の 豊 富 な 環 境 下 で 育 て ら れ た マ ウス の方 が 神 経 細 胞 の 数 が 多 くな る こ と を 報 告 して い る29,3°)。また 、Rosenzweigら は 、 刺 激 の 豊 富 な 環境 条 件 で育 っ た ラ ッ トは刺 激 の 乏 し い環 境 下 で 育 っ た ラ ッ トよ り、 大 脳 皮 質 が 重 い こ と を31)、Nakaら は発 育 発 達 期 の 環 境 因 子 は 明 らか に脳 内 の 構 築 と生 化 学 的 変 化 に影 響 を与 え る こ と32)な ど、 豊 か な 環 境 刺 激 と脳 の 関係 につ い て 多 くの 効 果 が 報 告 さ れ て い る。

だ が 、 脳 を刺 激 す る 豊 か な環 境 が あ れ ば そ れ で い い の か とい う こ と を永 江 は投 げ か け て い る33)。

そ れ を証 明 す る実 験 と して 、Heldら の 実 験 が 興 味 深 い 。 彼 ら は ネ コ の視 覚 行 動 の 発 達 に於 い て 、 同 じ環 境 の 中 にあ っ て も受 動 的 で は な く能 動 的 に働 き か け な い と脳 機 能 の 一 部 の発 達 が 抑 制 され る こ と を報 告 して い る34>。上 記 の 研 究 は視 覚 野 や 海 馬 な どの 神 経 細 胞 に つ い て の 報 告 で あ るが 、 前 頭 葉 に特 化 して 実 験 した 酒 谷 らは 、 語 想 起 課 題 と ドラ イ ビ ン グ シ ュ ミ レ ー シ ョ ン タス ク を試 行

し、 前 頭 葉 に お け る0、Hb濃 度 変 化 を調 べ た と こ ろ 、 前 者 に前 頭 葉 の活 性 上 昇 、 後 者 に前 頭 葉 の 活 性 低 下 が み られ た こ と を報 告 して い る35)。 ドラ イ ビ ン グ シ ュ ミ レ ー シ ョン はHeldら の い う と ころ の 前 頭 葉 へ の受 動 的働 き か け 、 語 想 起 課 題 は 前 頭 葉 へ の 能 動 的働 きか け とい い か え る こ と も で き る の で は ない だ ろ うか 。

今 回 の 実 験 よ り、 学 習効 果 が 上 昇 す る教 育 環 境 、 す な わ ち物 的環 境 と して静 か な 環 境 で 学 習 す る こ と や 、 人 的 環 境 と して ポ ジ テ ィ ブ な情 動 の想 起 と発 語 を促 す よ う な教 師 や 友 達 との か か わ り を もつ こ とが 、 脳 機 能 の 変 化 を もた らす 重 要 な 刺 激 で あ る こ とが 明 らか に な っ た 。 前 頭 葉 の体 積 は 年 齢 と共 に増 大 し8歳 〜15歳 で 前 頭 前 野 が 顕 著 に増 大 す る こ と36)、前 頭 葉 連 合 野 は 早 期 よ り成 長 が 開 始 す る もの の 長 期 に わ た り脆 弱 性 が 高 い こ と37>を考 え て も、 今 回 の 実 験 で の 知 見 はす な わ ち、 教 育 現 場 で の環 境 の 違 い が 長 期 効 果 と して児 童 生徒 の脳 内 に変 化 を もた らす こ とを示 唆 す る も の で あ り、 看 過 で き な い 意 義 を持 つ もの で あ る と認 識 して い く必 要 が あ る と考 え られ た 。 今

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後 さ らに児 童 生 徒 の教 育 環 境 と脳 機 能 の 関連 につ き、 研 究 を進 め て い きた い と考 え る。

謝 辞

本 研 究 は 、 日本 私 立 学 校 振 興 ・共 済 事 業 団 平 成19年 度 学 術 研 究 振 興 資 金 、 及 び 日本 学 術 振 興 会 平 成19年 度 科 学 研 究 費 補 助 金(基 盤研 究(B))の 交 付 を受 け 行 わ れ た 。 本 研 究 の 遂 行 に あ た っ て は 、 日本 大 学 医 学 部 脳 神 経 外 科 酒 谷 薫 教 授 に デ ー タの 解 釈 、分 析 に 関す る 助 言 を頂 い た。

ま た、 横 浜 市 立 千 秀 小 学 校 馬 場 正 徳 校 長 に被 検 者 及 び 実験 場 所 の 許 可 及 び提 供 を頂 い た。

注

1)高 橋 勝:子 ど もの 自 己 形 成 空 間 、 川 島 書 店1997 2)小 学 校 学 習 指 導 要 領 、 文 部 省1989

3)宮 本 三 郎 ・小 林 毅 夫:小 学 校 生 活 科 の 学 習 環 境 づ く り、 東 京 書 籍1991 4)田 中 仁 一 郎:フ レ ネ教 育 教 室 を 変 え る 、 青 木 書 店1999

5)谷 崎 み ゆ き、 飯 島 亜 紀 、 中原 凱 文:各 種 刺 激 音 下 に お け る 語 音 聴 取 時 の脳 血 流 動 態 に 関 す る研 究 、 疲 労 と休 養 の 科 学,16,1,87‑982001

6) Melissa A. Rosenkranz, Daren C. Jackson, Kim M. Dalton, Isa Dolski, Carol D. Ryff, Burt H. Singer, Daniel Muller, Ned H. Kalin, and Richard J. Davidson, Affective style and in vivo immune response : Neurobehavioral mechanism. PNAS 100, 11148-11152 2003

7) Suzuki S, Takasaki S, Ozaki T, Kobayashi Y, A tissue oxygenation monitor using NIR spatially resolved spectroscopy, Proc SPIE, 3597582-592. 19999)

8) Tanida M, Sakatani K, Takano R, Tagai K, Relation between asymmetry of prefrontal cortex activities and the autonomic nervous system during a mental arithmetic task: near infrared spectroscopy study, Neurosci Lett, 369 69-74. 2004

9) Delpy DT, Cope M, van der ZP, Arridge S, Wray S, Wyatt J, Estimation of optical pathlength through tissue from direct time of flight measurement, Phys Med Biol, 33, 1433-1442. 1998

10) Essenpreis M, Cope M, Elwell CE, Arridge SR, van der ZP, Delpy DT, Wavelength dependence of the differential pathlength factor and the log slope in time-resolved tissue spectroscopy, Adv Exp Med Biol, 333. 9- 20. 1993

11) van der ZP, Cope M, Arridge SR, Essenpreis M, Potter LA, Edwards AD et al., Experimentally measured optical pathlengths for the adult head, calf and forearm and the head of the newborn infant as a function of inter optode spacing, Adv Exp Med Biol, 316,143-153. 1992

12) Hiraoka M, Firbank M, Essenpreis M, Cope M, Arridge SR, van der ZP et al., A Monte Carlo investigation of optical pathlength in inhomogeneous tissue and its application to near-infrared spectroscopy, Phys Med Biol, 38,

1859-1876. 1993

13) Sakatani K, Yamashita D, Yamanaka T, Oda M, Yamashita Y, Hoshino T et al., Changes of cerebral blood oxygenation and optical pathlength during activation and deactivation in the prefrontal cortex measured by time- resolved near infrared spectroscopy, Life Sci, 78 2734-2741. 2006

14) Tanida M, Katsuyama M, Sakatani K, Relation between mental stress-induced prefrontal cortex activity and skin conditions : A near-infrared spectroscopy study, Brain Res, 1184 , 210-216. 2007

15) Yoko Hoshi, Mamoru Tamura. Detection of dynamic changes in cerebral oxygenation coupled to neuronal function during mental work in man. Neuroscience Letters150, 5-8 1993

16) Yoko Hoshi, Hirotaka Onoe,Yasuyoshi Watanabe, et al. Non-synchronous behavior of neuronal activity, oxidative metabolism and blood supply during mental tasks in man. Neuroscience Letters 172,129-133 1994

17)0.q・ub・ ・,P.1・d・fr・y,H.St・i・m・t・,・t・1.Diss・ ・i・ti・gN・u・alC・rr・1・t…fC・9・iti・ ・C血P・n・nt・i・M・nt・l Calculation.OxfordUniversityPressl1,350‑3592001

18)大 久 典 子 、 鈴 木 真 悠 子 、 佐 々 木 春 香 、 他:計 算 負 荷 に お け る 心 拍 変 動 と 脳 神 経 細 胞 の 酸 素 代 謝 、 自

律 神 経 、40、166‑1692003

19)RyutaKawashima,MasatoTaira,KatsuoOkita,etal.AfunctionalMRIstudyofsimplearithmetic‑a comparisonbetweenchildrenandadult.Cognitive‑BrainResearch18,227‑2332004

20)MasahiroTanida,KaoruSakatani,RurikoTakano,etal.Relationbetweenasymmetryofprefrontalcortex activitiesandtheautonomicnervoussystemduringamentalarithmetictask:nearinfraredspectroscopystudy.

NeuroscienceLetters369,69‑742004

21)田 中 啓 治 、'岡 本 仁:脳 科 学 の 進 歩 、 放 送 大 学 教 育 振 興 会2006

22)加 藤 元 一 郎:〔 高 次 機 能 と そ の 障 害 〕 注 意 と 注 意 障 害 前 頭 葉 機 能 と 注 意 障 害 、Clinical

Neuroscience21,7,821‑8222003

23)TomarkenAJ,DavidsonRJ,HenriquesJB.Restingfrontalbrainasymmetrypredictsaffectiveresponsesto films.JPersSocPsychol:59(4),791=8011990

24)TomarkenAJ,DavidsonRJ,WheelerRE,DossRC.lndividualdifferencesinanteriorbrainasymmetryand fundamentaldimensionsofemotion.JPersSocPsychol.62(4):676‑871992

25)野 々 さ ゆ り 、 清 水 遵 、 杉 本 助 男.:自 己 体 験 情 動 想 起 中 の 脳 内 活 動 源 及 び 情 動 晴 報 伝 達 の 検 討

怒 り の 情 動 を 対 象 と し た ダ イ ポ ー ル 解 析 の 試 み 、 愛 知 淑 徳 大 学 論 集;コ ミ ュ ニ ケ ー シ ョ ン 学 部 篇 、4,

117‑1282004

26)JiongjiongWang,HengyiRao,GabrielS.Wetmore,PatriciaM.Furlan,MarkKorczykowski,DavidF.Dinges, andJohnA.Detre:perfusionfunctionalMRIrevealscerebralbloodflowpatternunderpsychologicalstress PNAS102,17804‑178092005

27)時 実 利 彦:人 間 で あ る こ と 、 岩 波 新 書1970

28)Volkmar,F.R&Greenough;W,T.:Rearingcomplexityaffectsbranchingofdendritesinthevisualcortexof therat:Science176,1445‑14471972

29)Kempermann,G.,Kuhn,H.G.,&Gage,F.H.:,Morehippocampalneuronsinadultmicelivinginanenriched environment:Nature386,493‑4951997

30)HenriettevanPraag,GerdKempermannandFredH.Gage:Neuroralconsequencesofenvironmental enrichment:NatureReviewsNeuroscience1,19.1‑1982000

31)Rosenzweig,M.R.,Benett,E.L.,&Diamond, .M.C.,:Brainchangesinresponsetoexperience.:Scientific American,226,̲22‑301972

32)NakaF,NaritaN,OkadoN,NaritaN.ModificationofAMPAReceptorPropertiesFollowingEnvironmental Enrichment.BrainandDevelopment,27:275‑2782005

33)永 江 誠 司: .子 ど も の 脳 の 発 達 と 環 境 、 福 岡 教 育 大 学 紀 要 第52,4,239‑2452003 34)Held,R.,&Hein,A.,:Muvement‑producedstimulationinthedevelopmentofvisuallyguidedbehavior.

JournalofcomparativeandPhysiologicalPsychlogy56,872‑8761963

35)KaoruSakatani,DaisukeYamashita,TakeshiYamanaka,MotokiOda,YutakaYamashita,TetsuyaHoshino, NorioFujikawara,YoshihiroMurata,YoichiKatayama,Changesofcerebralbloodoxygenationandoptical pathlengthduringactivationanddeactivationintheprefrontalcortexmeasuredbytime‑resolvednearinfrared spectroscopy:LifeScience78,2734‑27412006

36)金 村 英 秋 、 相 原 正 男 、 青 木 茂 樹 、 畠 山 和 男 、 神 谷 祐 子 、 小 野 智 佳 子 、 佐 田 佳 美 、 中 澤 眞 平:三 次 元

MRIに よ る 前 頭 前 野 定 量 的 体 積 測 定 に 関 す る 検 討 、 脳 と 発 達31,519‑5241999 37)bobbingJ,SandsJ:Vulnerabilityofdevelopingbrain;Theeffectofnutritionalgrowthretardationonthe

timingofthebraingrowthspurt.BiolNeonatel9,363‑3781971

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