「反応時間」の版間の差分

 

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、[[wikipedia:ja:ヒト|ヒト]]が何らかの[[知覚]]・[[認知]]課題を遂行する際の、随意的行動による反応について言う（例えば、ランプが点灯したらすぐボタンを押す）。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、行動ではなく生理指標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）。

[[ファイル:RTfprtmt.png|thumb|300px|'''図1.''' 反応時間と運動時間（MT）、先行期間（FP）。例として、予告刺激の音が鳴った後、反応刺激として左右どちらかのランプ（□）が点灯し、点灯した方のボタン（○）をできるだけ速く押す（押すとランプは消灯）という課題の場合を示す。あらかじめボタン上に指を置き、指の動きだけで反応する場合（上段）では、反応刺激提示からボタン押しまでの時間を反応時間とする。指をスタート位置から動かして（リーチング動作）ボタンを押す場合（下段）では、運動開始までを反応時間とすることが多い。ただし、運動時間も含めて反応時間と呼ぶこともある。]]

　反応時間測定では、手指ボタン押し反応のほか、足のペダル押し、発声、[[眼球運動]]なども用いられる<ref>[[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。</ref>。リーチング<ref>英：reaching、到達運動。目標となる物体に向けて手をのばす、あるいは手をのばして触れる行動。</ref>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（図1）。

 

　短距離走のスタートのような全身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）、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。[[筋電図]](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、筋によっても差がある<ref name=MorenoEtal2011><pubmed> 21184808 </pubmed></ref>。

　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。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====

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、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 reaction time

 

　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<ref>

'''E G Boring'''<br>A history of experimental psychology (2nd ed.)<br>''New York: Appleton-Century-Crofts'': 1950, p. 147</ref>。

　直接の契機は、1849～1850年に[[wikipedia:ja:ヘルマン・フォン・ヘルムホルツ|ヘルムホルツ]]が[[wikipedia:ja:カエル|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

<ref>'''K M Olesko, F L Holmes'''<br>Experiment, quantification, and discovery: Helmholtz's early physiological researches, 1843-50.<br>

In David Cahan (ed), Hermann von Helmholtz and the foundations of nineteenth-century science.<br>''Berkeley: University of California Press'': 1993, pp. 50-108.</ref><ref><pubmed>12122806</pubmed></ref><ref>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。</ref>。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。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。

　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[[wikipedia:Franciscus_Donders|ドンデルス]]らによる1860年代の実験<ref name=deJaager1865>'''J J de Jaager'''<br>Reaction time and mental processes.<br>In J Brozek, M S Sibinga (eds.), Origins of psychometry.<br>

''Nieuwkoop: B. de Graaf'': 1970, pp. 33-73.</ref><ref name=Donders1868><pubmed>5811531</pubmed></ref>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、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。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。

*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。

　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（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。

<ref><pubmed>12200181</pubmed></ref><ref>'''ベンジャミン・リベット　下條信輔（訳）'''<br>マインド・タイム　脳と意識の時間<br>''東京: 岩波書店'': 2005</ref>）。減算法のアイデアの拡張・修正も提案されてきた<ref>'''S Sternberg'''<br>The discovery of processing stages: Extentions of Donders' method.<br>In W G Koster (ed), Attention and perfprmance II.<br>''Amsterdam: North-Holland'': 1969, pp. 276-315.</ref><ref name=TeichnerKrebs1974><pubmed>4812881</pubmed></ref>。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 <ref name=MillerUlrich2003><pubmed>12643892</pubmed></ref><ref name=RatcliffSmith2004><pubmed>15065913</pubmed></ref>。

[[ファイル:RTdistributions.png|thumb|320px|'''図2.''' 反応時間の分布と変数変換。1名の被験者による視覚選択反応時間（正答試行のみ）の分布の例。

中段は同じデータを対数変換したもの、下段は逆数変換したものを示す。変数変換により、分布の非対称性が減じている。]]

　反応時間分布にあてはめるモデルとしては、[[wikipedia:ja:ワイブル分布|ワイブル分布]]や[[wikipedia:ja:対数正規分布|対数正規分布]]も用いるが、

[[wikipedia:Exponentially_modified_Gaussian_distribution|ex-Gaussian分布]] を用いることが多い<ref name=Ratcliff1993><pubmed>8272468</pubmed></ref><ref>'''T Van Zandt'''<br>Analysis of response time distributions.<br>In H Pashler, J Wixted (eds.) Steven's handbook of experimental psychology (3rd ed.) Volume 4, Methodology in experimental psychology.<br>''New York: John Wiley & Sons'': 2002, pp. 461-516.</ref> <ref>'''A Heathcote, S J Popiel, D J K Mewhort'''<br>Analysis of response time distributions: An example using the Stroop task.<br>''Psychol Bull'': 1993, 109;340-347 </ref> <ref>'''Y Lacouture, D Cousineau'''<br>How to use MATLAB to fit the ex-Gaussian and other probability functions to a distribution of response times.<br>

''Tutorials in Quantitative Methods for Psychology'': 2008, 4;35-45 </ref>。

===速さと正確さのトレードオフ===

　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。平均選択反応時間 <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</math>, <math>b</math> はパラメータ）<ref name=Welford1980ch3>'''A T Welford'''<br>Choice reaction time: Basic concepts.<br>In A T Welford (ed.) Reaction times.''London: Academic Press'': 1980, pp. 73-128</ref>。

 

　トレードオフを制御する方法はいくつかある<ref name=Wickelgren1977>'''W A Wickelgren'''<br>Speed-accuracy tradeoff and information processing dynamics.<br>''Acta Psychol(Amst)'': 1977, 41;67-85</ref>。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<ref name=SchoutenBekker1967><pubmed>6062205</pubmed></ref>。

　平均選択反応時間 <math>RT</math> は、選択肢数 <math>n</math> が多いほど長い。Hick

&nbsp;&nbsp; <math>RT = K \log \left( n+1 \right) \, </math>

&nbsp;&nbsp; <math>RT = a + b \log n \, </math>

<ref name=Welford1980ch3 />

この場合、 <math>a</math> が単純反応時間に相当し、<math>b</math> はパラメータである。

<ref name=MillerPachella1973>'''J O Miller, R G Pachella'''<br>Locus of the stimulus probability effect.<br>''J Exp Psychol'': 1973, 101; 227-231

&nbsp;&nbsp; <math>RT = a + b \log \left( \frac{1}{p} \right) \, </math>

　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、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 ===

を提示し、数秒程度の先行期間（foreperiod, FP）の後に反応すべき刺激（反応刺激、response stimulus）を提示する（図1）

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>

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

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[[脳波]](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

近年では[[fMRI]]でも類似の検討が試みられている

。刺激強度と反応時間の関係は、指数が負の[[wikipedia:ja:べき関数|べき関数]]で表せる（[[Pi&#x00E9;ronの法則]]

このとき音刺激は課題に無関係でよく、これを[[付属刺激]]（accesory stimulus）と呼ぶ。

<ref name=Simon1967><pubmed>6065838</pubmed></ref>。

<ref name=KerrEtal1963><pubmed>14079023</pubmed></ref>。

<ref name=ElliottEtal1993>'''D Elliott, E A Roy, D Goodman, R G Carson, R Chua, B K V Maraj'''<br>

Asymmetries in the preparation and control of manual aiming movements.<br>''Can J Exp Psychol'': 1993, 47;570-589</ref>。

<ref name=CarsonEtal1990><pubmed>2290495</pubmed></ref>。

これは空間情報処理の[[大脳]][[右半球]]優位性のためと考えられている。反応時間の左右差は知覚から運動まで様々な段階の左右差を反映するため、課題内容によっても結果が変化する<ref name=Rabbitt1978 /><ref name=ElliottEtal1993 />。

また、個人差も大きい<ref name=AnnettAnnett1979><pubmed>486877</pubmed></ref>。

　[[感覚器官]]の左右差が見られることもある。聴覚単純反応時間は、刺激が右耳に提示された時の方がわずかに短い<ref name=Simon1967 />。

視覚単純反応時間も、刺激を利き目に提示した方が短くなる<ref name=MunicciConnors1964><pubmed>14129728</pubmed></ref>。

なお、単眼提示より両眼提示<ref name=MunicciConnors1964 />、また片耳提示より両耳提示<ref name=Simon1967 />の方が反応時間は短い。

===刺激-反応適合性===

[[ファイル:RTcompatibility.png|frame|'''図3.''' 空間的刺激-反応適合性（spatial S-R compatibility）の例。

よりも、反応時間が短くなる。]]

　刺激の特性と反応の特性が適合的なときは、非適合的なときより反応が速く正確になる。例えば高い音に対して「高い」、低い音に対して「低い」と答えるのは、高い音に対して「低い」、低い音に対して「高い」と答えるより容易である。このような違いを、[[刺激-反応適合性（stimulus-response compatibility）の効果]]と呼ぶ<ref name=FittsSeeger1953><pubmed>13084867</pubmed></ref>

''Amsterdam: North-Holland'': 1990</ref>。

　よく研究されているのは空間的適合性である（図3）。例えば右側の刺激に対しては右のボタンで、左の刺激に対しては左のボタンで反応する方が、その逆の組合せよりも速い。これは視覚<ref name=FittsSeeger1953 /><ref name=Wallace1971><pubmed>5090926</pubmed></ref>

、聴覚<ref name=SimonEtal1970><pubmed>5482039</pubmed></ref>

、触覚<ref name=Peters1983><pubmed>6571317</pubmed></ref>

のいずれでも起こる。両手を交差させ右（左）手で左（右）のボタンを押す場合や<ref name=Wallace1971 />

''Acta Psychol (Amst)'': 1986, 62;89-100</ref>、刺激位置とボタン位置との間の空間適合性に従った効果が見られる。

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

　成人では[[加齢]]に従って反応時間が伸びる。

同様の[[wikipedia:ja:性差|性差]]は高齢者でも

　[[カフェイン]]や[[ニコチン]]はしばしば選択反応時間を短縮する<ref name=LiebermanEtal1987><pubmed>3114783</pubmed></ref><ref name=KerrEtal1991><pubmed>1881996</pubmed></ref><ref name=HindmarchEtal1990><pubmed>2320715</pubmed></ref>

。[[wikipedia:ja:アルコール|アルコール]]<ref name=KerrEtal1991 /><ref name=MaylorRabbitt1993><pubmed>8401986</pubmed></ref><ref>

や[[ベンゾジアゼピン]]は<ref name=DawsonEtal2008><pubmed>18570226</pubmed></ref>

　反応時間は有用な指標だが、しばしばそのデータの解釈をめぐって論争がある<ref>例えば[[心的回転]]（mental rotation）で、図形の回転角度に比例した反応時間は、[[心的イメージ]]が刺激のアナログ的な表象である証拠と解釈された。しかしこの解釈には反論が多く、心理学上の論争となった（イメージ論争）。また視覚探索（visual search, 例えば画面上の10個の物体の中から目的の物体を探し出す課題）では、反応時間が物体数に比例して長くなることがあるが、これが逐次的情報処理（物体を1つずつ処理する）の反映なのか、並列的情報処理（複数物体を同時に処理する）の速さが変化することの反映なのか、

しばしば議論となる。</ref>。

[[ファイル:RTresponseboxes.jpg|thumb|250px|'''図4.''' 実験用反応ボタンの例]]

　[[wikipedia:ja:算術平均|算術平均]]のかわりに、よく[[wikipedia:ja:中央値|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<ref name=Ratcliff1993 />。変数変換には、[[wikipedia:ja:対数変換|対数変換]]や[[wikipedia:ja:逆数変換|逆数変換]]が用いられる（図2）。反応時間の逆数は反応速度の指標とみなすことができる。