なぜ驚くと瞳孔が開くのか——脳が予測を仕切り直す数秒間

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びっくりした瞬間、瞳孔が開きます。暗い場所で開くのとは別の話で、部屋の明るさは何も変わっていないのに、予想外のことが起きると黒目の中心がふっと大きくなる。これは古くから知られている現象で、瞳孔は「覚醒の窓」とも呼ばれてきました。

では、その瞳孔の開きは、脳の中で何が起きていることの表れなのか。米ブラウン大学の研究チームが、この問いに一つの答えを出しました。2026年8月に学術誌 Nature Human Behaviour に掲載された論文で、63人の参加者に色を当てる課題をやってもらいながら、瞳孔の大きさと脳波を同時に記録しています。分かったのは、驚いたときの瞳孔の開きが、脳が「いま使っている前提」をいったん手放して、新しい前提に切り替えている合図らしい、ということでした。

瞳孔と青斑核のつながり

瞳孔の開きの裏側には、青斑核（せいはんかく）という脳幹の小さな神経核があります。ヒトではここにある神経細胞は10万個に届かないとされますが、そこから脳のほぼ全域に配線が伸びていて、ノルアドレナリンという伝達物質を一斉にまき散らします。ノルアドレナリンは、体が緊張したり注意が急に高まったりするときに出る物質で、「覚醒」と呼ばれる一時的に頭がさえた状態を作ります。

青斑核は、予想外のことが起きた瞬間に活動が跳ね上がることが、動物実験で確かめられています。そして人間では、その跳ね上がりに合わせて瞳孔が開き、脳波にも特定の山が現れると考えられてきました。瞳孔の大きさや脳波を測れば、頭を開けなくても青斑核の働きを外から推し量れる、というのが「覚醒の窓」の意味です。

ここまでは前から分かっていました。分かっていなかったのは、その覚醒の跳ね上がりが何のために起きているのか、です。研究は大きく二つの流れに分かれていました。ひとつは、驚いたあとの覚醒が強い人ほど、新しい経験から素早く考えを更新する、つまり学習が進むという報告。もうひとつは、覚醒が強いときほど「見たものが自分の予想に引きずられる」度合いが小さくなる、つまり知覚の偏りが減るという報告です。この二つは別々に調べられてきて、同じ仕組みから出ているのかどうかは、はっきりしていませんでした。

ブラウン大学の Matt Nassar 氏らのチームは、これを一つの考え方でつなぐ理論を先に立てていました。脳は「いまどういう状況にいるか」という前提を持って世界を見ている。驚きは、その前提がもう合わなくなったことを知らせる信号で、青斑核からのノルアドレナリンは、古い前提を消して新しい前提を読み込む「切り替え」の役目をしている、という考えです。論文では行きつけの店の例が出てきます。いつもの料理人が作っているつもりで食べると、味の受け取り方はいつもの味に引き寄せられ、今日の料理がまずくても「いつもの人の腕が落ちた」と間違った相手を責めることになる。料理人が休みだと気づけば、味をそのまま受け取れるし、評価を書き換える相手も正しくなる。前提を切り替えるタイミングが、見え方と学び方の両方を左右するわけです。

色を当てる課題と二つの環境

この理論を試すために、チームは色を使った課題を作りました。画面に色のついた丸が二つ、0.2秒だけ表示されます。参加者はまず、その二つの色を記憶から再現します。続いて、次の回に出てくる色を予測して答えます。これを120回、二つの異なる条件で繰り返しました。

一つ目は「変化点」の条件です。色はある平均のまわりでばらつきますが、15%ほどの確率でその平均が別の色にジャンプし、そのまま新しい色のまわりに落ち着きます。つまり、驚くような色が出たら、それは世界が変わった合図で、以後はその新しい色を基準に予測を立て直すのが正解です。

二つ目は「一発もの」の条件です。こちらは色の平均がゆっくり流れていくのですが、やはり15%ほどの確率で、まったく無関係な色が一度だけ出ます。次の回にはまた元の流れに戻る。つまり、驚くような色が出ても、それは一回きりの例外で、予測の基準を動かしてはいけない。むしろ無視するのが正解です。

どちらの条件にいるかは、参加者にあらかじめ説明されています。驚きの強さは同じくらいでも、正しい対応は真逆。この設計がこの研究の要です。予測と再現のずれを毎回測れば、「見たものがどれくらい予想に引きずられたか」（知覚の偏り）と、「次の予測をどれくらい書き換えたか」（学習量）を、一回ごとに数字にできます。

上の図のように、色の列に突然の変化が入ったとき、その変化が「そのまま続く」場合と「一回で戻る」場合を用意し、その瞬間の瞳孔と脳波を記録した、というのが実験の骨格です。63人のうち脳波がきれいに取れたのは57人分、瞳孔は60人分でした。

驚きに反応した瞳孔と脳波

予想から外れた色が出ると、瞳孔は表示の1.5秒から4秒ほどあとに、ふだんより大きく開きました。これは変化点の条件でも一発ものの条件でも同じです。脳波のほうは、表示から0.45秒ほどで前頭部に山が立ちました。この山は P3a と呼ばれる成分で、新しいものや予想外のものに出会ったときに出ることが以前から知られています。一方で、同じ P300 という大きなくくりに入る後ろ寄りの成分（P3b）は、驚きの度合いとはほとんど関係しませんでした。

そして、瞳孔や P3a の反応が大きかった回ほど、参加者の再現した色は自分の予想に引きずられていませんでした。つまり知覚の偏りが減っていた。これも両方の条件で共通でした。ここまでは、これまでの研究の流れに沿った結果です。

同じ信号が生んだ逆向きの学習

本題はここからです。瞳孔や脳波の反応が大きかった回に、参加者がどれくらい次の予測を書き換えたかを見ると、二つの条件で向きが逆になっていました。

変化点の条件では、反応が大きいほど予測を大きく動かしていました。驚きが強いほどよく学んだ、という見方ができます。ところが一発ものの条件では、反応が大きいほど予測を動かさなくなっていました。同じ「瞳孔が開いた」「脳波に山が立った」という信号が、片方では学習を増やし、もう片方では学習を減らしていたのです。

これは、瞳孔の開きが「もっと学べ」の合図だと考えると説明がつきません。うまく説明できるのは、「いま持っている前提を切り替えろ」の合図だと考えたときです。変化点なら、切り替えた先は新しい世界なので、そこから学び直せば予測は大きく動く。一発ものなら、切り替えた先は「これは例外」という一時的な箱で、そこに入れたものは元の流れに混ぜられないから、予測は動かない。つまり瞳孔の開きは、脳が予測を捨てて前提を組み替えている瞬間の外からの現れで、そのあと学ぶか学ばないかは、切り替えた先の状況しだいだった、ということになります。

この解釈を後押しする細かい結果もありました。一発ものの条件では、驚いた回の直後、次の予測を答える直前にもう一度瞳孔が開いていたのです。変化点の条件ではこの二度目の開きはありません。理論どおりに考えるなら、一発ものでは「例外の箱」に入れたあと、次の予測のために元の前提へ戻す切り替えがもう一回要る。その二度目の切り替えが、二度目の瞳孔の開きとして見えていた、という読みです。そして、この二度目の開きが大きい人ほど、二つの条件で学習の量をきちんと使い分けていました。

さらに、人による違いを見ると、覚醒の反応が知覚の偏りをよく減らす人ほど、同じ反応が学習量もよく調節していました。偏りの減少と学習の調節が同じ人で一緒に強く出るということは、両者が一つの仕組みから出ていると考えるのが自然です。チームはこの研究で、あらかじめ登録しておいた五つの予測を立てていて、その全部が結果と一致しました。予測を事前に公開してから検証する形をとっているので、結果を見てから話を合わせたわけではない、という点は評価できます。

この結果が言えること、言えないこと

いくつか押さえておきたい点があります。まず、覚醒と学習の関係がはっきり出たのは、二つの条件で学び方を実際に使い分けていた参加者に限られていました。課題の構造を説明されても、両方の条件で似たように振る舞った人はかなりいて、そういう人では瞳孔と学習のつながりも弱かった。つまり「驚けば誰でも正しく学び直せる」という話ではなく、状況を正しく読み取れているときに、その読み取りが瞳孔に表れる、という順序です。

次に、この研究は青斑核そのものを測っていません。瞳孔と脳波という間接的な窓を通して見ています。論文自身が、瞳孔の開きにはノルアドレナリン以外にもアセチルコリンやセロトニンといった複数の物質系が関わりうる、と書いています。反応のタイミングや大きさから見てノルアドレナリンが最有力の候補だとしつつ、直接の測定や介入で確かめるのは今後の仕事だとしています。覚醒を人工的に上げ下げした実験ではないので、切り替えを「引き起こしている」のか「伴っている」のかも、この結果だけでは区別できません。

参加者は63人で、大半が若い成人。課題は実験室で色を当てるものです。年齢が違えば同じことが起きるのか、もっと複雑な日常の場面でも同じ仕組みが働くのかは、まだ分かりません。

それでも、この結果は身近な場面の見方を少し変えます。何かに驚いて瞳孔が開いたその数秒間は、脳が直前まで積み上げていた予想をいったん手放している時間です。そこで新しく学び直すのか、「今のは例外」と脇に置くのかは、その先の判断。驚きそのものは、覚えるための合図ではなく、仕切り直しの合図でした。

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出典

論文：Tiantian Li, Harrison Marble ほか、Matthew R. Nassar、”Fluctuations in arousal reflect latent state transitions that facilitate behavioural optimization”、Nature Human Behaviour、2026年8月5日公開（オープンアクセス）。https://www.nature.com/articles/s41562-026-02533-1

ブラウン大学のプレスリリース（2026年8月5日）：Why do people’s pupils dilate when they’re surprised? Brown researchers explain

解説記事：ScienceAlert（2026年8月23日、Russell McLendon）Scientists Reveal The Strange Neurological Reason Your Pupils Dilate When You’re Surprised