脳科学辞典

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ここでは、ヒトの行動実験における反応時間について概説する。
ここでは、ヒトの行動実験における反応時間について概説する。


反応時間は課題遂行成績（performance）の極めて重要な指標である。
反応時間は課題遂行成績（performance）の重要な指標である。
反応時間が長いほど、複雑で多くの心的処理を要したと考えられる。
反応時間が長いほど、複雑で多くの心的処理を要したと考えられる。
ただし、反応時間は刺激の入力から反応の出力までに起こる種々の処理過程を総体として反映する指標である。
ただし、反応時間は刺激の入力から反応の出力までに起こる種々の処理過程を総体として反映する指標である。
反応時間に影響する処理段階は少なくとも、刺激の知覚処理、判断や反応選択の処理、反応のための運動実行の処理の3つに分けられる。
それらは少なくとも刺激の知覚、判断や反応選択、反応のための運動実行の3つに分けられるが、いずれの処理段階も反応時間に影響を生じうる。
いずれの処理段階も反応時間に影響を生じうる。
なお、反応時間の平均的な長さだけでなく、ばらつき（標準偏差など）が分析されることもある。
なお、反応時間の平均的な長さだけでなく、ばらつき（標準偏差など）が分析されることもある。


43行目: 42行目:
===課題による分類===
===課題による分類===


一般に反応時間測定では、できるだけ速く反応するよう求める課題（speeded task）を用いる。
一般に反応時間測定では、できるだけ速く反応する課題（speeded task）を用いる。
これに対し、好きな時に反応してよい課題の反応時間は自由反応時間（free reaction time）と呼んで区別することがある。
これに対し、好きな時に反応してよい課題の反応時間は自由反応時間（free reaction time）と呼んで区別することがある。
また、課題の内容に応じて、次の3種類が区別される。
また、課題の内容に応じて、次の3種類が区別される。
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====単純反応時間（simple reaction time, SRT）<ref>古い文献では簡単反応時間と訳されることがある。</ref>====
====単純反応時間（simple reaction time, SRT）<ref>古い文献では簡単反応時間と訳されることがある。</ref>====


既知の1種の刺激が提示され、それに対して決められた1種類の反応をする（単純検出課題）ときの反応時間。
既知の1種の刺激が提示され、それに対して決められた1種の反応をする（単純検出課題）ときの反応時間。
例えば、音が聞こえたらできるだけ速くボタンを押す。
例えば、音が聞こえたらできるだけ速くボタンを押す。
他の2種よりも平均的には短く、視覚ないし聴覚刺激に対するボタン押しでは150～300ms程度である。
下の2種よりも平均的には短く、視覚ないし聴覚刺激に対するボタン押しでは150～300ms程度である。


====選択反応時間（choice reaction time, CRT）====
====選択反応時間（choice reaction time, CRT）====
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既知の複数の刺激のいずれかが提示され、刺激に応じて決められた複数の反応のいずれかを行う
既知の複数の刺激のいずれかが提示され、刺激に応じて決められた複数の反応のいずれかを行う
（n肢強制選択課題; n-alternative forced choice task, nAFC task）ときの反応時間。
（n肢強制選択課題; n-alternative forced choice task, nAFC task）ときの反応時間。
例えば、赤光か緑光が提示され、赤ならば右、緑ならば左のボタンをできるだけ速く押す（2肢強制選択課題; 2AFC task）。
例えば、緑光か赤光が提示され、緑なら右、赤なら左のボタンをできるだけ速く押す（2肢強制選択課題; 2AFC task）。


====Go/No-Go反応時間（Go/No-Go reaction time）====
====Go/No-Go反応時間（Go/No-Go reaction time）====


弁別反応時間（discriminative reaction time）とも。
弁別反応時間（discriminative reaction time）とも。
既知の複数の刺激のいずれかが提示され、そのうち特定の刺激の場合のみ、決められた1種類の反応をするときの反応時間。
既知の複数の刺激のいずれかが提示され、そのうち特定の刺激の場合のみ、決められた1種の反応をするときの反応時間。
例えば、赤光か緑光が提示され、赤ならばボタンを押し、緑ならば何もしない。
例えば、緑光か赤光が提示され、緑ならボタンを押し、赤なら何もしない。
つまり、反応するかしないか（Go/No-Go）を判断する。
つまり、反応するかしないか（Go/No-Go）を判断する。


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ヒトの場合、遅いものでは毎秒0.5～2m、速いものでは最大毎秒75mに達する。
ヒトの場合、遅いものでは毎秒0.5～2m、速いものでは最大毎秒75mに達する。
</ref>
</ref>
。これは1mの伝達に約33msを要するという、意外に遅いものだった。
。
私たちは日常的には、自分が意図した瞬間に体が動き、心的処理は「瞬時に」完了すると思っている。
私たちは日常的には、自分が意図した瞬間に体が動き、心的処理は「瞬時に」完了すると思っている。
しかし、神経の働きは十分測定可能な程度の速さでしかなかったのである。
これに反して神経の働きは意外に遅く、十分測定可能な程度の速さでしかなかったのである。


===ドンデルスの減算法===
===ドンデルスの減算法===
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とされる。
とされる。
彼らは、反応時間のうち本当に心的処理（mental process）に要した時間を測ろうとした。
彼らは、反応時間のうち本当に心的処理（mental process）に要した時間を測ろうとした。
例えば、赤光が現れたら右、緑光が現れたら左のボタンを押す課題で、反応時間が仮に300msだとしても、色弁別の心的処理に300msかかるとは言えない。
例えば、緑光に対して右、赤光に対して左のボタンを押す課題で、反応時間が仮に300msだとしても、色弁別の心的処理に300msかかるとは言えない。
神経伝達に一定の時間がかかるなら、反応時間のうち相応の部分は、網膜から脳への伝達時間や脳から手の筋肉への伝達時間のはずだからである。
そのうち相応の部分は、網膜から脳への伝達時間や脳から手の筋肉への伝達時間のはずだからである。


ドンデルスらは、減算法（subtraction method）と呼ばれる方法でこの問題に取り組んだ。
ドンデルスらは、減算法（subtraction method）と呼ばれる方法でこの問題に取り組んだ。
音声を聞いたらできるだけ速く発声して反応するという課題を使い、以下の反応時間を測定した。
音声を聞いたらできるだけ速く発声して反応するという課題を使い、以下の反応時間を測定した。


*単純反応時間。音声刺激''ki''に対して、できるだけ速く''ki''と発声して反応する。
*単純反応時間。''ki''に対して、できるだけ速く''ki''と発声して反応する。
*選択反応時間。''ka, ke, ki, ko, ku''のいずれかが提示され、できるだけ速く刺激と同じ音声を発して反応する。
*選択反応時間。''ka, ke, ki, ko, ku''のいずれかが提示され、できるだけ速く刺激と同じ音声を発して反応する。
*弁別反応時間。''ka, ke, ki, ko, ku''のいずれかが提示され、''ki''の場合のみ''ki''と発声して反応する。
*弁別反応時間。''ka, ke, ki, ko, ku''のいずれかが提示され、''ki''の場合のみ''ki''と発声して反応する。


その結果、順に平均201ms、284ms、237msだった<ref name=Donders1868 />。
結果は、順に平均201ms、284ms、237msとなった<ref name=Donders1868 />。
選択反応時間から単純反応時間を引いた差83msは、刺激の弁別と反応の選択の心的処理に要した時間と考えられる。
選択反応時間から単純反応時間を引いた差83msは、刺激の弁別と反応の選択の心的処理に要した時間と考えられる。
選択反応時間から弁別反応時間を引いた差47msは、反応の選択の心的処理に要した時間と考えられる
選択反応時間から弁別反応時間を引いた差47msは、反応の選択の心的処理に要した時間と考えられる
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]]
]]


反応時間の分布は、種々の時間長データと同様、正の歪度を示す非対称形になる（図2）。
反応時間の分布は正の歪度を示す非対称形になる（図2）。
反応の速さには限界がある一方、非常に遅い反応も一定数生じるためである。
反応の速さには限界がある一方、非常に遅い反応も一定数生じるためである。
歪度の大きさは実験内容に大きく依存し、指数分布様の極めて非対称な場合から正規分布様のほぼ対称な場合まで様々である。
歪度の大きさは実験内容に大きく依存し、指数分布様の極めて非対称な場合から正規分布様のほぼ対称な場合まで様々である。
統計的分析に際しては、この非対称性に留意する必要がある。
分析に際しては、この非対称性に留意する必要がある。


反応時間分布にあてはめるモデルとしては、
反応時間分布にあてはめるモデルとしては、
196行目: 195行目:
===速さと正確さのトレードオフ===
===速さと正確さのトレードオフ===


速く反応しようとするほど反応は不正確になり、正確に反応しようとするほど反応は遅くなる。
反応は速くしようとするほど不正確になり、正確にしようとするほど遅くなる。
この交換関係を速さと正確さのトレードオフ（speed-accuracy tradeoff, SAT）という。
この交換関係を速さと正確さのトレードオフ（speed-accuracy tradeoff, SAT）という。
選択反応時間 <math>RT</math> と正答率 <math>P_{correct}</math> ・誤答率 <math>P_{error}</math> の関係は次式で記述できる
選択反応時間 <math>RT</math> と正答率 <math>P(C)</math> ・誤答率 <math>P(E)</math> の関係は次式で記述できる
（ <math>a, b</math> はパラメータ）
（ <math>a, b</math> はパラメータ）
<ref name=Welford1980ch3>
<ref name=Welford1980ch3>
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。
。


<math>RT = a + b \log \frac{P_{correct}}{P_{error}} \, </math>
<math>RT = a + b \log \frac{P(C)}{P(E)} \, </math>


従って、反応時間を分析する際は、正答率・誤答率など反応の正確さの指標もあわせて考慮する必要がある。
従って、反応時間を分析する際は、正答率・誤答率など正確さの指標もあわせて考慮する必要がある。
また、速さと正確さのトレードオフが適切に統制された実験を計画することが重要である。
また、速さと正確さのトレードオフが適切に制御された実験を計画することが重要である。
例えば2つの条件を比較するとき、反応時間は条件1の方が短いが、誤答率は条件2の方が低かったとすると、解釈が難しい。
例えば、反応時間は条件1の方が短いが、誤答率は条件2の方が低かったとすると、解釈が難しい。
この問題を避けるため、トレードオフを制御して反応時間と正答率・誤答率のどちらかに目標を絞り込むことが多い。
この問題を避けるため、反応時間と正答率・誤答率のどちらかに目標を絞り込むことが多い。


トレードオフを制御する方法はいくつかある
トレードオフを制御する方法はいくつかある
271行目: 270行目:


これをHick-Hymanの法則と言う。処理すべき情報量が多いほど反応に時間がかかるのである。
これをHick-Hymanの法則と言う。処理すべき情報量が多いほど反応に時間がかかるのである。
Hickの法則は、このうち全選択肢が等確率（ <math>p = 1/n</math> ）のケースに相当する。
Hickの法則は、全選択肢が等確率（ <math>p = 1/n</math> ）のケースに相当する。


===先行期間（foreperiod, FP）===
===先行期間（foreperiod, FP）===
286行目: 285行目:
被験者の反応から次の試行の予告刺激までの間、すなわち、試行と試行の間にも時間間隔がある。こちらはITI（inter-trial interval）と呼ばれる。通常、ITIは一定とする。
被験者の反応から次の試行の予告刺激までの間、すなわち、試行と試行の間にも時間間隔がある。こちらはITI（inter-trial interval）と呼ばれる。通常、ITIは一定とする。
</ref>
</ref>
。被験者は予告刺激によって試行の開始を知り、反応の準備をする。
。被験者は予告刺激によって試行の開始を知り、反応に備える。
300msを下回るような極端に短いFPを用いると、反応が遅くなる。
300msを下回るような極端に短いFPを用いると、反応が遅くなる。
これは心理的不応期（psychological refractory period, PRP）と関連する現象と考えられている
これは心理的不応期（psychological refractory period, PRP）と関連する現象と考えられている
325行目: 324行目:
===反応時間と神経活動===
===反応時間と神経活動===


反応が速い時には、神経系での情報処理が速く進行した可能性がある。
反応が速い時には、中枢神経系でも情報処理が速く進行した可能性がある。
そこで、反応時間と神経活動の生理指標との関連性が、主に[[EEG]]のような時間解像度の高い方法で検討されてきた。
そこで、反応時間と神経活動の生理指標との関連性が、主に[[EEG]]のような時間解像度の高い方法で検討されてきた。
例えば視覚刺激の単純検出課題では、反応時間が長かった試行の視覚[[誘発電位]]は、反応時間が短かった試行に比べて、潜時が長く、また振幅も小さい
例えば視覚刺激の単純検出課題では、反応時間が長かった試行の視覚[[誘発電位]]は、反応時間が短かった試行に比べて、潜時が長く、また振幅も小さい
335行目: 334行目:


==反応時間に影響する要因==
==反応時間に影響する要因==
単純反応時間や選択反応時間に影響する要因として知られているものを列挙する。
実験によっては、これらの要因を適切に統制しなければならない。


===刺激強度===
===刺激強度===
390行目: 386行目:
反応の動作を行う器官を効果器（effector）と呼ぶ。
反応の動作を行う器官を効果器（effector）と呼ぶ。
効果器によって反応時間は異なる。
効果器によって反応時間は異なる。
最もよく用いられる反応は手指によるボタン押しで、ボタン上にあらかじめ指を乗せておき、指を動かすだけで反応できるようにする。
手指ボタン押しでは、ボタン上にあらかじめ指を乗せておき、指を動かすだけで反応できるようにする。
押していたボタンを離すことで反応させる方法もある。
押していたボタンを離すことで反応させる方法もある。
手指ボタン押しに比べ、足でのペダル踏みや発声による口頭反応は数10ms遅い
手指ボタン押しに比べ、足でのペダル踏みや発声による口頭反応は数10ms遅い
410行目: 406行目:
多数のボタンの一つを選んで押す課題では、腕を動かす必要がある。
多数のボタンの一つを選んで押す課題では、腕を動かす必要がある。
このように効果器の大きな運動を伴う場合には、相応の運動時間（MT）が加わるので、
このように効果器の大きな運動を伴う場合には、相応の運動時間（MT）が加わるので、
刺激提示から運動終了までの時間は手指ボタン押しの場合よりかなり長くなることがある。
刺激提示から運動終了までの時間は手指ボタン押しの場合より長くなる。


===左右差===
===左右差===
496行目: 492行目:
===疲労と学習===
===疲労と学習===


多くの実験では、被験者は同じ課題を長時間にわたり繰り返す。
実験では、被験者は同じ課題を長時間にわたり繰り返す。
このとき、単純反応時間はビジランス（vigilance, 持続的[[注意]]）の低下や疲労により次第に長くなる
このとき、単純反応時間はビジランス（vigilance, 持続的[[注意]]）の低下や疲労により次第に長くなる
<ref name=Buck1966><pubmed>5325893</pubmed></ref>
<ref name=Buck1966><pubmed>5325893</pubmed></ref>
517行目: 513行目:
。
。


予め十分な練習を実施したり、適切な休憩を設けたりすることで、実験中の反応時間を安定させることができる。
十分な練習や休憩により、実験中の反応時間を安定させることができる。


===年齢===
===年齢===
547行目: 543行目:
<ref name=TokitoEtal2001 />
<ref name=TokitoEtal2001 />
。
。
また、高齢者では反応時間の個人内でのばらつきも増加する
なお、高齢者では反応時間の個人内でのばらつきも増加する
<ref name=WilliamsEtal2005 />
<ref name=WilliamsEtal2005 />
<ref name=AnsteyEtal2005 />
<ref name=AnsteyEtal2005 />
626行目: 622行目:
</ref>
</ref>
。
。
反応方法や計測方法の違いで変化してしまうことからもわかるように、反応時間の絶対的な値には意味がないことが多い。
反応方法や計測方法の違いで変化してしまうことからもわかるように、心的処理について考える上で反応時間の絶対的な値には意味がないことが多い。
今日ほとんどの研究では、条件間で反応時間に相対的な差があるかどうかを検討している。
今日ほとんどの研究では、条件間で反応時間に相対的な差があるかどうかを検討している。


633行目: 629行目:
<ref name=SeashoreSeashore1941 />
<ref name=SeashoreSeashore1941 />
<ref name=Welford1980ch9 />
<ref name=Welford1980ch9 />
。
が、これはただちに「男性は女性より速く刺激を知覚する」ということを意味しない。
しかし、これはただちに「男性は女性より速く刺激を知覚する」ということを意味しない。
男性は平均的に筋肉量が多く運動が速いのかも知れない（生理的要因）し、
男性は平均的に筋肉量が多いため運動が速いのかも知れない（生理的要因）し、
男性は女性よりもスポーツをする機会が多いために感覚・運動協応機能が訓練されている者が多いのかも知れない
男性は女性よりもスポーツをする機会が多いために感覚・運動協応機能が訓練されている者が多いのかも知れない
<ref name=Silverman2006>
<ref name=Silverman2006>
680行目: 675行目:
研究目的にもよるが、誤答の反応時間は分析から除外するのが一般的である。
研究目的にもよるが、誤答の反応時間は分析から除外するのが一般的である。
課題がきちんと遂行されなかったと考えられるからである。
課題がきちんと遂行されなかったと考えられるからである。
ただし、誤答が少なくない時には誤答の反応時間の分析が役立つこともある（例えば
ただし、誤答が少なくない時には誤答反応時間の分析が役立つこともある（例えば
<ref><pubmed>15917795</pubmed></ref>
<ref><pubmed>15917795</pubmed></ref>
）。
）。
688行目: 683行目:
反応時間は分布が非対称になりやすく、また外れ値（outlier）を含む。
反応時間は分布が非対称になりやすく、また外れ値（outlier）を含む。
従って、算術平均を代表値としたり、分散分析のような正規性を仮定する分析を適用することには問題が多い。
従って、算術平均を代表値としたり、分散分析のような正規性を仮定する分析を適用することには問題が多い。
まずデータの分布を見て、強い非対称性や明らかな外れ値が見られないか確認すべきである。
まずデータの分布を見て、強い非対称性や明らかな外れ値がないか確認すべきである。


算術平均のかわりに、よく中央値が用いられる。外れ値の除外（cutoff）および変数変換も有効である
算術平均のかわりに、よく中央値が用いられる。外れ値の除外（cutoff）および変数変換も有効である
697行目: 692行目:


外れ値は一定の基準に基づいて除外する。
外れ値は一定の基準に基づいて除外する。
平均からの一定距離を基準とする（例えば、平均±3SD範囲を超えたら除外）のは、分布の非対称性を考えれば妥当ではない。
平均からの一定距離を基準とする（例えば、平均±3標準偏差を超えたら除外）のは、分布の非対称性を考えれば妥当ではない。
適切な変数変換の後に行うべきである。
適切な変数変換の後に行うべきである。
上限と下限を一律に定めて除外する方法もある。
上限と下限を一律に定めて除外する方法もある。
Niimiryosuke
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