反応時間

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英：reaction time/response time、英略語：RT

反応時間とは、生体に刺激が与えられてからその刺激に対する外的に観察可能な反応が生じるまでの時間である。 特に、ヒトが何らかの知覚・認知課題を遂行する際の、自発的行動による反応（例えば、ボタン押し）について言う。 類義語に潜時（latency）があるが、これは反応時間より広い概念で、ヒト以外の動物の反応や、 行動ではなく生理現象として観察される反応についても言う（例えば、視覚刺激提示から視覚誘発電位が生じるまでの時間）。 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。

行動実験では、反応時間は極めて重要な指標である。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。 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。 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、個人内のばらつき（SDなど）が分析されることもある。

いろいろな反応時間

反応時間測定では、手指ボタン押し反応を用いることが多い。 足のペダル押し、発声、眼球運動なども用いられる[1]。 リーチングのような動作に比較的時間のかかる反応では、刺激提示から運動開始までを反応時間、 運動開始から終了までを運動時間（movement time, MT）と呼んで区別することもある。 短距離走のスタートのような全身の運動による反応については、全身反応時間（whole body reaction time）と呼ぶ。 例えば、刺激が提示されたらできるだけ速く跳び上がらせ（垂直跳び課題）、刺激提示から両足が地を離れるまでの時間として測定する。 ただし、単純な反応動作でも多数の筋肉が関与するものである。 EMGで筋肉の運動潜時を調べると、反応時間と一致するとは限らないし、筋肉によっても差がある [2]。

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。 これに対し、好きな時に反応してよい課題のRT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。

単純反応時間（simple reaction time, SRT）[3]

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。 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、視覚刺激ないし音声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）

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。 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（2AFC task）。

Go/No-Go反応時間、弁別反応時間（discriminative reaction time）

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。 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。 つまり、反応するかしないか（Go/No-Go）を判断する。

初期の研究：心的時間測定（mind chronometry）

神経伝達速度の測定

反応時間測定は19世紀末の実験心理学成立当初から行われている。 現在では反応時間は研究の手段として用いられることが多いが、当時は反応時間自体が研究対象だった。 生理学者や心理学者が、心的処理の速さはどれくらいかを測ろうとしたのである。 19世紀末は心的時間測定（mental chronometry）の時代であった [4] 。

直接の契機は、1849～1850年にヘルムホルツがカエル運動神経伝達速度を毎秒24.6～35.4mと測定したことだった [5] [6] [7] 。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。 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。

ドンデルスの減算法

では、知覚や判断はどれくらいの速さなのだろうか。 ヒトでの反応時間研究の嚆矢はオランダのドンデルスらによる1860年代の実験 [8] [9] 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。 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。 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。

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。

  • 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。
  • 選択反応時間。ka, ke, ki, ko, ke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, ke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。

それぞれ順に平均201ms、284ms、237msだった（Donders, 1868/1969）。 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36msは、反応の選択の心的処理に要した時間と考えられる （弁別課題では反応の選択は必要ないが、刺激の弁別は必要である）。 このように条件間の減算で心的処理に要する時間を推定するのが減算法である。

しかし、この試みはうまくいかなかった。 反応時間に影響を与える要因が多すぎるのである。個人差も大きい。 何より、知覚や認知といった心的処理を構成要素の単純な加算で考えることに限界があった。 今日よく知られているように神経系の情報処理は高度に並列的である。 また、用いた課題がどんな心的処理を含むのかについては解釈に幅がある。 例えば弁別反応時間には、刺激の弁別だけでなく、反応するかしないか（Go/No-Go）という反応選択処理が含まれているとも考えられる。 このため、反応時間の差の絶対的な値に意味を見出すのは難しい。

とは言え、反応図鑑を心的処理の組合せで説明しようという試みは続いている。[註] 減算法のアイデアの拡張・修正も提案されてきた [10] [11] 。 現在では、反応時間のモデルは多くの変数を考慮に入れた複雑なものとなっている [12] [13] 。

反応時間の性質

分布の非対称性

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####）。 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。 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。

反応時間分布にあてはめるモデルとしては、ワイブル分布や対数正規分布も用いるが、ex-Gaussian分布を用いることが多い [14] [15] [16] [17] 。

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の正確さは低下する。 逆に、正確に反応しようとするほど反応は遅くなる。 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。

このため、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。 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。 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。 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。

トレード・オフを制御する方法はいくつかある [18]。 典型的には、教示と、課題難易度の調整を用いる。 正答率・誤答率を指標にしたい場合は、課題難易度をある程度難しくした上で、速さより正確さを優先するよう教示する。 逆に反応時間を指標にしたい場合は、時間をかければ誤答がほぼなくなるような難易度にし、できるだけ速くかつ正確に反応するよう教示する。 難易度は予備実験の結果を見て決定するが、全被験者一律にすることもあれば、被験者毎に決定することもある。 反応に時間制限を設けたり、決められた時（例えば音で知らされる）に必ず反応させることで反応時間を一定に制御する方法もある [19] 。

Hick-Hymanの法則

選択反応時間は、選択肢数が多いほど長い [20] 。また、選択肢数が同じでも、出現確率の低い刺激に対する反応は遅い [21] [22] 。 この現象は、反応時間が刺激の情報量に比例すると解釈されている。 出現確率 の刺激に対する選択反応時間 は次式でよく記述できる （ はその他の実験条件等によって決まるパラメータ）。

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。 選択肢数が で全選択肢が等確率ならば だから、 は の対数に比例することがわかる。

先行期間（foreperiod, FP）

反応時間と神経活動

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

  1. ↑ 眼球運動の場合には反応時間ではなく潜時と呼ぶことが多い。
  2. ↑ Moreno, M.A., Stepp, N., & Turvey, M.T. (2011).
    Whole body lexical decision. Neuroscience letters, 490(2), 126-9. [PubMed:21184808] [PMC] [WorldCat] [DOI]
  3. ↑ 古い文献では簡単反応時間と訳されることがある。
  4. ↑ E G Boring
    A history of experimental psychology (2nd ed.)
    New York: Appleton-Century-Crofts: 1950, p. 147
  5. ↑ K M Olesko, F L Holmes
    Experiment, quantification, and discovery: Helmholtz's early physiological researches, 1843-50.
    In David Cahan (ed), Herman von Helmholtz and the foundations of nineteenth-century science.
    Berkeley: University of California Press: 1993, pp. 50-108.
  6. ↑ Finger, S., & Wade, N.J. (2002).
    The neuroscience of Helmholtz and the theories of Johannes Müller. Part 1: Nerve cell structure, vitalism, and the nerve impulse. Journal of the history of the neurosciences, 11(2), 136-55. [PubMed:12122806] [WorldCat] [DOI]
  7. ↑ 実際には、活動電位の伝達速度は髄鞘の有無や神経線維の太さによって大きく異なる。 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。
  8. ↑ J J de Jaager
    Reaction time and mental processes.
    In J Brozek, M S Sibinga (eds.), Origins of Psychometry.
    Nieuwkoop: B. de Graaf: 1970, pp. 33-73.
  9. ↑ Donders, F.C. (1969).
    On the speed of mental processes. Acta psychologica, 30, 412-31. [PubMed:5811531] [WorldCat] [DOI]
  10. ↑ S Sternberg
    The discovery of processing stages: Extentions of Donders' method.
    In W G Koster (ed), Attention and Perfprmance II.
    Amsterdam: North-Holland: 1969, pp. 276-315.
  11. ↑ Teichner, W.H., & Krebs, M.J. (1974).
    Laws of visual choice reaction time. Psychological review, 81(1), 75-98. [PubMed:4812881] [WorldCat] [DOI]
  12. ↑ Miller, J., & Ulrich, R. (2003).
    Simple reaction time and statistical facilitation: a parallel grains model. Cognitive psychology, 46(2), 101-51. [PubMed:12643892] [WorldCat]
  13. ↑ Ratcliff, R., & Smith, P.L. (2004).
    A comparison of sequential sampling models for two-choice reaction time. Psychological review, 111(2), 333-67. [PubMed:15065913] [PMC] [WorldCat] [DOI]
  14. ↑ Ratcliff, R. (1993).
    Methods for dealing with reaction time outliers. Psychological bulletin, 114(3), 510-32. [PubMed:8272468] [WorldCat] [DOI]
  15. ↑ T Van Zandt
    Analysis of response time distributions.
    In H Pashler, J Wixted (eds.) Steven's handbook of experimental psychology (3rd ed.) Volume 4, Methodology in Experimental Psychology.
    New York: John Wiley & Sons: 2002, pp. 461-516.
  16. ↑ A Heathcote, S J Popiel, D J K Mewhort
    Analysis of response time distributions: An example using the Stroop task.
    Psychol Bull: 1993, 109;340-347
  17. ↑ Y Lacouture, D Cousineau
    How to use MATLAB to fit the ex-Gaussian and other probability functions to a distribution of response times.
    Tutorials in Quantitative Methods for Psychology: 2008, 4;35-45
  18. ↑ W A Wickelgren
    Speed-accuracy tradeoff and information processing dynamics.
    Acta Psychol(Amst): 1977, 41;67-85
  19. ↑ Schouten, J.F., & Bekker, J.A. (1967).
    Reaction time and accuracy. Acta psychologica, 27, 143-53. [PubMed:6062205] [WorldCat] [DOI]
  20. ↑ W E Hick
    On the rate of gain of information.
    Q J Exp Psychol: 1952, 4;11-26
  21. ↑ HYMAN, R. (1953).
    Stimulus information as a determinant of reaction time. Journal of experimental psychology, 45(3), 188-96. [PubMed:13052851] [WorldCat] [DOI]
  22. ↑ J O Miller, R G Pachella
    Locus of the stimulus probability effect.
    J Exp Psychol: 1973, 101; 227-231
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