中枢神経系と内部モデル

これまでのさまざまな神経活動の研究から、中枢神経系にはさまざまな感覚受容器配列と対応する内的表現、すなわち神経地図があることが知られています。実験やモデル研究からは、中枢神経系には、運動指令と、運動の結果として予測される感覚シグナルとを関係づけるような内的表現も保持することが強く示唆されています。例えば、肢の各部位の長さは決まっているため、腕の関節の角度と空間内での手の位置との間には数学的な関係が成立します。

この関係が神経系に表現されていて、関節の角度と腕の各部位の長さがわかっていれば、中枢神経系は手の位置を推定することができます。そのような感覚運動変換を計算する神経回路は内部モデルの一例です。

運動とその結果との因果関係を表す内部モデル

こうした神経表現は、実際の関係と厳密には一致しない可能性があります。なぜなら、構造の違いやパラメータの誤差があるからです。運動とその結果との因果関係を表す内部モデルは、運動出力に基いて未来の感覚入力を推定することから、順モデルと呼ばれています。

順モデルは、運動指令の結果として運動系の状態がどのように変わるかを予測します。このとき、下行して感覚運動系に作用する運動指令のコピーが環境の中で動く筋骨格系の神経回路シミュレータとして機能する順モデルへと送られます。ここで、運動指令のコピーは、中枢神経系から筋に送られる遠心性シグナルのコピーであるため、遠心性コピー、または随伴発射と呼ばれています。

感覚入力から運動出力を計算する内部モデルは逆モデル

感覚入力から運動出力を計算する内部モデルは逆モデルとして知られます。そのようなモデルは目標とする感覚を得るための運動を生成するのに必要な運動指令を決定することが出来ます。順モデルと逆モデルは、直列に並べてみると、よく理解することが出来ます。各モデルの構造とパラメータの値が正しければ、順モデル（予測された行動）は、逆モデルへの入力（目標運動）と等しくなります。