メンタルクロノメトリー

メンタルクロノメトリーは、認知タスクにおける処理速度または反応時間を科学的に研究し、精神活動の内容、期間、および時間的順序を推測するものである。反応時間（RT、「応答時間」とも呼ばれる）は、刺激の開始から基礎認知タスク（ECT）に対する個人の反応までの経過時間によって測定される。基礎認知タスクは、通常、実験室環境で実施される比較的単純な知覚運動タスクである。^{[1]メンタルクロノメトリーは、人間の}実験心理学、認知心理学、および微分心理学の中核的な方法論的パラダイムの1つであるが、精神生理学、認知神経科学、および行動神経科学でも一般的に分析され、人間や他の種の知覚、注意、および意思決定の根底にある生物学的メカニズムの解明に役立っている。

メンタルクロノメトリーは、感覚刺激の開始とそれに続く行動反応の間の経過時間を測定して、神経系における情報処理の時間経過を研究する。 ^[2]平均や分散などの反応時間の分布特性は、処理速度と効率の有用な指標と考えられており、個人がタスク関連の精神操作をどれだけ速く実行できるかを示している。^{[3]行動反応は典型的にはボタンの押下であるが、眼球運動、発声反応、その他の観察可能な行動もよく使用される。反応時間は、}白質における信号伝達速度と大脳新皮質灰白質の処理効率によって制約されると考えられている。^[4]

心理学研究におけるメンタルクロノメトリーの用途は多岐にわたり、人間の聴覚および視覚システムにおける情報処理のノモセティックモデル、ならびにRTの個人差が人間の認知能力、老化、およびさまざまな臨床的および精神医学的結果に果たす役割などの微分心理学のトピックを網羅しています。^[3]メンタルクロノメトリーへの実験的アプローチには、音声および手動潜時、視覚および聴覚注意、時間的判断および統合、言語および読解、動作時間と運動反応、知覚および決定時間、記憶、および主観的時間知覚の経験的研究などのトピックが含まれます。^[5] RTから得られる情報処理に関する結論は、多くの場合、タスク実験設計、測定技術の限界、および数学的モデリングを考慮して行われます。^[6]

外的刺激に対する人間の反応が生物学的インターフェース（神経など）を介して起こるという考えは、科学という哲学分野自体と同じくらい古い。啓蒙思想家ルネ・デカルトは、例えば痛みに対する反射的な反応は、ある種の繊維（今日では神経系の一部と認識されているもの）によって脳に運ばれ、そこで痛みの主観的経験として処理されると提唱した。しかし、この生物学的な刺激反応反射はデカルトらによって瞬時に起こると考えられており、したがって客観的な測定の対象にはならなかった。^[7]

人間の反応時間が科学的変数として初めて記録されたのは、数世紀後のことであり、天文学の分野で生じた実際的な懸念からでした。1820年、ドイツの天文学者フリードリヒ・ベッセルは、恒星の通過を記録する際の精度の問題に取り組みました。恒星の通過は通常、メトロノームのチクタク音を使って、恒星が望遠鏡の毛並みを通過する時間を推定することで行われていました。ベッセルは、この方法では複数の天文学者の記録に時間の不一致があることに気付き、これらの個人差を考慮に入れることで精度を向上させようとしました。これにより、さまざまな天文学者が個人差を最小限に抑える方法を模索するようになり、これは天文学的時間の「個人方程式」として知られるようになりました。^[8]この現象は、それを測定する最初の装置の1つを設計した英国の統計学者カール・ピアソンによって詳細に調査されました。 ^[7]

反応時間の性質に関する純粋に心理学的な調査は、1850 年代半ばに始まりました。量的かつ実験的な科学としての心理学は、歴史的に、主に実験心理学と微分心理学の 2 つの分野に分かれていると考えられてきました。^{[10]科学的心理学の最も初期の発展の 1 つである精神時間測定の科学的研究は、}ヘルマン・フォン・ヘルムホルツやヴィルヘルム・ヴントなどの科学者が神経伝達速度の測定を試みる反応時間課題を設計した 1800 年代半ばにはすでにこの分野の縮図となっていました。たとえばヴントは、キモグラフを使用して、感情的な刺激が脈拍数や呼吸数に影響を及ぼすかどうかをテストする実験を行いました。^[11]

フランシス・ゴルトン卿は、個人間の精神的な違いを判定し、説明しようとする差異心理学の創始者として一般的に知られています。彼は、人間の精神的および行動的特徴における個人差の平均と範囲を決定するという明確な意図を持って、厳格な反応速度テストを初めて使用しました。ゴルトンは、知能の違いは感覚識別力と刺激に対する反応速度のばらつきに反映されるという仮説を立て、視覚刺激と聴覚刺激に対する反応速度を含む、この異なる尺度をテストするためのさまざまな機械を製作しました。彼のテストには、ロンドンの一般市民から選ばれた1万人以上の男性、女性、子供が参加しました。^[3]

ウェルフォード（1980）は、人間の反応時間に関する歴史的研究は、5つの異なる研究問題に大まかに関わっており、そのうちのいくつかは今日でも使用されているパラダイムに進化したと指摘しています。これらの領域は、感覚要因、反応特性、準備、選択、意識的な付随として大まかに説明されています。^[8]

初期の研究者は、刺激の感覚的性質を変えると反応時間に影響し、刺激の知覚的顕著性が高まると反応時間が短くなる傾向があることに気付きました。この変化はさまざまな操作によってもたらされますが、そのうちのいくつかについては以下で説明します。一般的に、感覚因子の操作によって生じる反応時間の変化は、中枢プロセスよりも末梢メカニズムの違いによるものである可能性が高いです。^[8]

刺激の感覚特性が反応時間に与える影響を数学的にモデル化する最も初期の試みの 1 つは、刺激の強度が増すと反応時間が短くなる傾向があるという観察から生まれました。たとえば、アンリ・ピエロン(1920) は、この関係をモデル化する一般的な形式として次の式を提案しました。

${\displaystyle RT={\frac {a}{i^{n}}}+k}$、

ここで、は刺激の強さ、は減少可能な時間値、は減少不可能な時間値、は感覚や状態によって異なる可変指数を表します。^[12]この定式化は、刺激の強さが定数 まで増加すると反応時間が減少するという観察を反映しており、定数 は人間の生理機能がそれ以下では意味のある動作をできない理論上の下限値を表します。^[8]${\displaystyle i}$${\displaystyle a}$${\displaystyle k}$${\displaystyle n}$${\displaystyle k}$

刺激の強さがRTを減少させる効果は絶対的ではなく相対的であることが1930年代初頭に発見されました。この現象の最初の観察の1つは、カール・ホブランドによる研究によるもので、彼は異なる焦点距離に置かれた一連のろうそくを使って、刺激の強さがRTに及ぼす効果は以前の適応レベルに依存することを実証しました。^[13]

刺激の強さに加えて、刺激の強さ（つまり、単位時間あたりに感覚器官に与えられる刺激の「量」）を変えることは、反応時間課題で提示される刺激の面積と持続時間の両方を増やすことによっても達成できます。この効果は、味覚刺激を検出する味蕾の面積を変えることで味覚に対する反応時間を短縮する初期の研究で記録されています。^[14]また、視覚刺激の大きさを視野内の面積として表す研究でも記録されています。 ^{[15] [16]同様に、反応時間課題で与えられる刺激の持続時間を長くすると、視覚刺激[15]}と聴覚刺激^[17]に対する反応時間がわずかに速くなることがわかりましたが、これらの効果は小さい傾向があり、感覚受容器に対する感受性に大きく起因しています。^[8]

反応時間課題で刺激が与えられる感覚様式は、求心性伝導時間、状態変化特性、そして私たちのさまざまな感覚に固有の感覚識別の範囲に大きく依存します。^[8]例えば、初期の研究者は、聴覚信号は8～10ミリ秒以内に中枢処理機構に到達できることを発見しました。 ^[18]一方、視覚刺激は20～40ミリ秒ほどかかる傾向があります。^[19]動物の感覚は状態を急速に変化させる能力も大きく異なり、あるシステムはほぼ瞬時に変化しますが、他のシステムははるかに遅くなります。例えば、空間における自分の位置の知覚を制御する前庭系は、聴覚系よりもはるかにゆっくりと更新されます。^[8]特定の感覚の感覚識別の範囲も、感覚様式内および感覚様式間で大きく異なります。例えば、キーソウ（1903）は、味覚反応時間課題において、人間は舌の上の塩の存在に対して砂糖よりも敏感であることを発見しました。これは、塩に対する反応時間が砂糖よりも100ミリ秒以上速いことに反映されています。^[20]

反応特性が反応時間に与える影響に関する初期の研究は、主に反応速度に影響を与える生理学的要因に関係していた。例えば、Travis (1929) は、キーを押す RT タスクにおいて、刺激に反応してキーを押す際に、伸ばした指の一般的な振戦率の下降期 (1 秒あたり約 8～12 回の振戦) を組み込む傾向にあることを発見した。^[21]この傾向は、反応時間の分布には固有の周期性があり、特定の RT は振戦周期中のどの時点で反応が求められるかによって影響を受けることを示唆している。この発見は、刺激が振戦周期の最高点または最低点付近で提示された場合、反応の変動が少ないことを示す 1900 年代半ばの後続の研究によってさらに裏付けられた。^[22]

先行する筋緊張は、初期の研究者が反応時間の予測因子として発見したもう1つの生理学的因子であり、^{[23] [24]}筋緊張は皮質覚醒レベルの指標として解釈されます。つまり、刺激開始時に生理的覚醒状態が高い場合、既存の筋緊張が大きいほど反応が速くなります。覚醒が低い場合、筋緊張が弱いと反応が遅くなります。しかし、覚醒が高すぎると（したがって筋緊張も）、信号対雑音比が低下し、RTタスクのパフォーマンスに悪影響を与えることもわかっています。^[8]

多くの感覚操作と同様に、RT の予測因子としての生理学的反応特性は主に中枢処理の外で機能し、それがこれらの効果を以下で説明する準備の効果と区別します。

初期のクロノメトリー研究で初めて発見されたもう 1 つの観察は、刺激の出現に先立つ「警告」サインによって、反応時間が短くなることが一般的であるというものでした。この基礎研究で「期待」と呼ばれるこの短い警告期間は、単純な RT タスクで、警告と反応すべき刺激の提示との間の間隔の長さとして測定されます。メンタル クロノメトリー研究における期待の長さと変動性の重要性は、1900 年代初頭に初めて観察され、現代の研究でも重要な考慮事項となっています。これは、刺激の提示に先立つ可変の予期期間の使用に反映されています。 ^[8]

この関係は、次の式で簡単にまとめることができます。

${\displaystyle RT=a+b\log {\frac {1}{p}},}$

ここで、およびはタスクに関連する定数であり、任意の時点で刺激が現れる確率を表します。^[8]${\displaystyle a}$${\displaystyle b}$${\displaystyle p}$

単純なRT課題では、一連の試行で約300ミリ秒の一定の前置期間が、特定の個人にとって最も速い反応を生み出す傾向があり、前置期間が長くなるにつれて反応が長くなります。この効果は前置期間が数百秒に及ぶ場合まで実証されています。^[25]可変間隔の前置期間は、等頻度でランダムな順序で提示された場合、間隔がシリーズの平均よりも短い場合はRTが遅くなる傾向があり、平均よりも長い場合はRTが速くなったり遅くなったりする可能性があります。^{[26] [27]}一定に保たれるか可変に保たれるかにかかわらず、300ミリ秒未満の前置期間は、刺激が到着する前に警告の処理が完了する時間がなかった可能性があるため、遅延したRTを生み出す可能性があります。このタイプの遅延は、この基礎研究の後の世紀に多くの実証的注目を集めた複雑なトピックである、連続的に組織化された中枢処理の問題に重要な意味を持ちます。^[28]

可能な選択肢の数は、応答時間の重要な決定要因として早くから認識されており、可能な信号の数と可能な応答の数の両方の関数として反応時間が長くなることが分かっています。^[8]

RTにおける応答オプションの重要性を認識した最初の科学者はフランシスカス・ドンダース（1869年）でした。ドンダースは、単純RTは認識RTよりも短く、選択RTはどちらよりも長いことを発見しました。^[29]ドンダースは、精神的操作が行われるのにかかった時間を分析するために減算法も考案しました。^[30]たとえば、単純RTを選択RTから減算することで、接続に必要な時間を計算することが可能です。この方法は、単純な知覚運動タスクの根底にある認知プロセスを調査する方法を提供し、その後の発展の基礎となりました。^[30]

ドンダースの研究は、メンタルクロノメトリーテストの将来の研究に道を開いたが、欠点がないわけではなかった。彼の挿入法は、しばしば「純粋挿入」と呼ばれ、RTパラダイムに特定の複雑な要件を挿入しても、テストの他の要素には影響しないという仮定に基づいていた。RTへの増分効果は厳密に加算的であるというこの仮定は、挿入がRTパラダイムの他の部分と相互作用できることを示した後の実験テストに耐えることができなかった。それにもかかわらず、ドンダースの理論は今でも関心を集めており、彼のアイデアは心理学の特定の分野で今でも使用されており、今ではそれらをより正確に使用するための統計ツールがある。^[3]

ヴントや他の構造主義心理学者の初期の研究に特徴的であった意識の内容への関心は、1920年代の行動主義の出現とともにほとんど支持されなくなった。しかし、反応時間という文脈における意識的付随物の研究は、1800年代後半から1900年代初頭にかけての重要な歴史的発展であった。例えば、ヴントと彼の同僚であるオスヴァルト・キュルペは、被験者にそのような課題の遂行中に生じた意識的プロセスを説明するよう求めることで、反応時間を研究することが多かった。^[8]

標準的な反応時間パラダイムによるクロノメトリック測定は、刺激の開始から運動反応までの経過時間の生の値です。これらの時間は通常、ミリ秒（ms）単位で測定され、等間隔で真のゼロを持つ比率スケール測定であると考えられています。 ^[3]

クロノメトリックタスクにおける反応時間は、通常、5つの測定カテゴリに関係しています。特定の人物またはタスク条件における多数の個別の試行にわたる反応時間の中心傾向（通常は算術平均で表されますが、中央値やまれに最頻値で表されます）、個人内変動（タスクの条件内または条件間での個々の応答の変動）、歪度（試行間の反応時間分布の非対称性の尺度）、傾き（異なるタイプまたは複雑さのタスク間の平均RTの差）、および精度またはエラー率（特定の人物またはタスク条件に対する正しい応答の割合）。^[3]

単純な反応時間タスクに対する人間の反応時間は通常 200 ミリ秒程度です。この短時間に発生するプロセスにより、脳は周囲の環境を認識し、関心のあるオブジェクトを識別し、そのオブジェクトに対するアクションを決定し、運動コマンドを発行して動作を実行します。これらのプロセスは、知覚と運動の領域にまたがり、知覚による意思決定と運動計画に関係します。^[31]多くの研究者は、有効な反応時間トライアルの下限は 100 ～ 200 ミリ秒の間であると考えています。これは、刺激の知覚などの生理学的プロセスと運動反応に必要な最低限の時間と考えられます。^[32]これよりも速い反応は、多くの場合「先見反応」の結果であり、この場合、人の運動反応は刺激の開始前に既にプログラムされており、進行中であり、^[3]関心のあるプロセスを反映していない可能性があります。^[6]

特定の個人の反応時間試験は常に非対称に分布し、右に偏っているため、正規分布（ガウス分布）に従うことはほとんどありません。観察される典型的なパターンは、平均 RT が常に中央値 RT よりも大きい値になり、中央値 RT が分布の最大の高さ（モード）よりも大きい値になることです。この標準パターンの最も明白な理由の 1 つは、任意の数の要因によって特定の試験の反応時間を延長することは可能ですが、特定の試験で RT を人間の知覚の限界（通常は 100 ～ 200 ミリ秒の間と考えられています）を超えて短縮することは生理学的に不可能であり、試験の持続時間が負になることも論理的に不可能であるということです。^[3]

個人の反応時間の分布の右端を拡張する変動の理由の 1 つは、瞬間的な注意力の喪失です。個人の反応時間の信頼性を向上させるために、研究者は通常、被験者に複数の試行を行わせ、そこから「典型的な」またはベースラインの反応時間の測定値を計算します。生の反応時間の平均を取ることは、典型的な反応時間を特徴付ける効果的な方法になることはほとんどなく、代替アプローチ (反応時間分布全体のモデル化など) の方が適切な場合がよくあります。^[32]

RT測定を分析するために、特に外れ値のトリミングから生じる問題に効果的に対処する方法、^[33]データ変換、^[32]測定信頼性速度と精度のトレードオフ、^[34]混合モデル、^{[35] [36]}畳み込みモデル、^[37]確率的順序関連比較、^{[38]および時間応答における}確率的変動の数学的モデリングなど、さまざまなアプローチが開発されてきました。 ^[6]

ドンダースが行った、反応の選択肢の数が反応時間に与える影響に関する初期の観察に基づいて、WE ヒック(1952) は、 n 個の等しく可能な選択肢がある一連の 9 つのテストを提示する反応時間実験を考案しました。この実験では、任意の試行中に可能な選択肢の数に基づいて被験者の反応時間を測定しました。ヒックは、利用可能な選択肢、つまり次にどの反応刺激が現れるかという「不確実性」の関数として、個人の反応時間が一定量増加することを示しました。不確実性は「ビット」で測定され、これは情報理論で不確実性を半分に減らす情報量として定義されます。ヒックの実験では、反応時間は利用可能な選択肢の数 ( n ) の2 進対数の関数であることがわかりました。この現象は「ヒックの法則」と呼ばれ、「情報獲得率」の尺度と言われています。この法則は通常、次の式で表されます。

${\displaystyle RT=a+b\log _{2}(n+1)}$、

ここで、と は関数の切片と傾きを表す定数であり、は選択肢の数です。^[39] ジェンセンボックスはヒックの法則のより最近の応用です。^[3]ヒックの法則はマーケティングにおいて興味深い現代的な応用があり、レストランのメニューやウェブインターフェース（とりわけ）は消費者にとってのスピードと使いやすさを実現するためにその原理を活用しています。^{[40] [検証失敗]}${\displaystyle a}$${\displaystyle b}$${\displaystyle n}$

ドリフト拡散モデル（DDM）は、反応時間課題（通常は2択）における試行間の反応時間と精度の観察された変動を説明するための明確に定義された数学的定式化である。^[41]

このモデルとその派生モデルは、反応時間試験を非決定残余段階と、実際の反応決定が生成される確率的「拡散」段階に分割することで、これらの分布特性を考慮している。試験間の反応時間の分布は、根底にある「ランダムウォーク」要素を持つニューロンに証拠が蓄積される速度によって決定される。ドリフト率 ( v ) は、このランダムノイズの存在下でこの証拠が蓄積される平均速度である。決定閾値 ( a ) は、決定境界の幅、つまり、応答を行う前に必要な証拠の量を表す。蓄積された証拠が正しい境界または誤った境界のいずれかに達すると、試験は終了する。^[42]

現代の時間測定研究では、通常、反応時間タスクパラダイムの以下の広範なカテゴリの 1 つ以上のバリエーションを使用しますが、すべてのケースで相互に排他的である必要はありません。

単純反応時間とは、刺激の存在に反応するのに必要な動作のことです。例えば、被験者は光や音が現れたらすぐにボタンを押すように求められます。大学生の平均RTは、聴覚刺激を検出するのに約160ミリ秒、視覚刺激を検出するのに約190ミリ秒です。^{[29] [43]}

北京オリンピックの短距離走者の平均RTは、男子で166ms、女子で169msだったが、1,000回のスタートのうち1回では、それぞれ109msと121msを達成することもある。^[44]この研究では、女性のRTが長いのは、使用した測定方法によるアーティファクトである可能性があり、スターティングブロックのセンサーシステムが、パッドへの圧力が不十分なために女性のフライングスタートを見逃す可能性があることを示唆していると結論付けている。著者らは、この閾値を補正することで、女性ランナーのフライングスタート検出の精度が向上すると示唆した。

IAAFには、選手が100ミリ秒未満で動いた場合、それはフライングとみなされ、2009年以降は失格となるという物議を醸すルールがある。これは、IAAFが2009年に委託した調査で、トップクラスのスプリンターは80～85ミリ秒で反応できることもあると示されたにもかかわらずである。^[45]

認識またはgo/no-go RT タスクでは、被験者は 1 つの刺激タイプが表示されたときにボタンを押し、別の刺激タイプが表示されたときには反応を控える必要があります。たとえば、被験者は緑のライトが表示されたときにボタンを押し、青のライトが表示されたときには反応しない必要があります。

弁別RTでは、同時に提示された視覚表示のペアを比較し、関心のある次元でどちらの表示がより明るく、長く、重く、または大きく見えるかに応じて2つのボタンのうちの1つを押します。弁別RTパラダイムは、同時、順次、または連続的に投与される刺激を伴う3つの基本的なカテゴリに分類されます。^[46]

社会心理学者 レオン・フェスティンガーが考案した同時弁別RTパラダイムの典型的な例では、長さの異なる2本の垂直線が参加者に同時に並べて示される。参加者は、右側の線が左側の線よりも長いか短いかをできるだけ早く識別するように求められる。これらの線のうち1本は試行を通じて一定の長さを維持し、もう1本の線は15の異なる値の範囲を取り、それぞれがセッション全体で同じ回数表示される。^[47]

刺激を連続的に与える2番目のタイプの識別パラダイムの例としては、1963年の古典的な研究があり、参加者は2つの重りを順番に持ち上げ、2番目の重りが最初の重りより重いか軽いかを判断するように求められました。^[48]

3番目の広範なタイプの弁別反応課題は、刺激が継続的に与えられるもので、1955年の実験に例示されている。この実験では、参加者はトランプの束をシャッフルし、カードの裏面の点の数が多いか少ないかによって2つの山に分類するように求められる。このような課題における反応時間は、課題を完了するのにかかる合計時間で測定されることが多い。^[49]

選択反応時間（CRT）課題では、考えられる刺激のクラスごとに異なる反応が求められる。複数の異なる信号に対して単一の反応が求められる選択反応時間課題では、4つの異なるプロセスが順番に発生すると考えられる。まず、刺激の感覚特性が感覚器官によって受信され、脳に伝達される。次に、信号が個人によって識別、処理、推論される。3番目に、選択の決定が行われる。そして4番目に、その選択に対応する運動反応が開始され、行動によって実行される。^[50]

CRT 課題は、非常に多様です。CRT 課題は、あらゆる感​​覚刺激（最も典型的には視覚または聴覚）を伴い、通常はキーまたはボタンを押すことで示される応答を必要とします。たとえば、被験者は、赤いライトが表示されたら 1 つのボタンを押し、黄色いライトが表示されたら別のボタンを押すように求められます。ジェンセン ボックスは、視覚刺激とキー押下応答で選択 RT を測定するように設計された機器の例です。^[49]応答基準は、発声の形をとることもできます。たとえば、ストループ課題のオリジナル バージョンでは、参加者はリストから色付きインクで印刷された単語の名前を読むように指示されます。^[51]各試行で単一の刺激ペアを使用するストループ課題の最新バージョンも、発声応答を伴う複数選択 CRT パラダイムの例です。^[52]

選択反応時間のモデルは、利用可能な選択肢が増えるにつれて平均反応時間が長くなるという ヒックの法則と密接に関連しています。ヒックの法則は次のように再定式化できます。

${\displaystyle MRT=K+\log N}$、

ここで、は試行全体の平均RT、は定数、は「信号なし」を含む可能性の合計を表す。これは、選択課題において、被験者は選択を行うだけでなく、まず信号が発生したかどうかを検出する必要があるという事実を説明しています（元の定式化の に相当）。^[50]${\displaystyle MRT}$${\displaystyle K}$${\displaystyle N}$${\displaystyle n+1}$

PETやfMRIといった機能的神経画像化技術の出現により、心理学者は機能的画像化のためにメンタルクロノメトリーのパラダイムを修正し始めた。^[53]心理（生理）学者は数十年にわたって脳波測定を行ってきたが、PETで得られる画像は神経科学の他の分野から大きな関心を集め、近年ではより幅広い科学者の間でメンタルクロノメトリーが普及している。メンタルクロノメトリーの利用方法は、認知プロセスに関与する脳の部分を神経画像化によって示すRTベースのタスクを実行することである。^[53]

機能的磁気共鳴画像法（fMRI）の発明により、被験者に提示された数字が5より大きいか小さいかを識別するよう依頼した研究において、事象関連電位を通じて活動を測定する技術が使用されました。スターンバーグの加法理論によれば、このタスクを実行するための各段階には、エンコード、5の保存された表現との比較、応答の選択、応答のエラーの確認が含まれます。^[54] fMRI画像は、この単純なメンタルクロノメトリータスクを実行しているときに、脳内でこれらの段階が起こっている特定の場所を示します。

1980 年代、神経画像実験により、研究者は放射性核種を注入し、陽電子放出断層撮影(PET) を使用して脳の特定の領域の活動を検出できるようになりました。また、精神時間測定タスク中に活動する脳領域を正確に検出する fMRI も使用されました。多くの研究により、これらの認知タスクの実行に関与する脳領域は広く分散している少数であることが示されています。

現在の医学的レビューでは、腹側被蓋野に由来するドーパミン経路を介したシグナル伝達は、RTの改善（短縮）と強い正の相関関係にあることが示されている。[55] 例えば、アンフェタミンのようなドーパミン作動性医薬品は^、間隔タイミング_中の反応を速めることが示されており、一方、ドーパミン拮抗薬（具体的には、D2型受容体用）は逆の効果を生み出す。^{[55]同様に、}ドーパミントランスポーターのSPECT画像で測定される線条体からの加齢に伴うドーパミンの減少は、RTの遅延と強い相関関係にある。^[56]

精神活動は、それを実行するのに要する時間によって測定できるという仮定は、現代の認知心理学の基礎と考えられています。神経系による情報処理の経過を通じて、さまざまな脳システムがどのように刺激を獲得し、処理し、反応するかを理解するために、実験心理学者は、さまざまな実験条件下での従属変数として反応時間を使用することがよくあります。^[2]精神クロノメトリーの研究に対するこのアプローチは、通常、測定されたRTと実験的に操作された関心のある変数との間の観察された関係を説明することを目的とした理論主導の仮説をテストすることを目的としており、多くの場合、正確に定式化された数学的予測を行います。^[3]

この実験的アプローチと、個人差を調べるための計時ツールの使用との違いは、実際的というより概念的なものであり、現代の研究者の多くは、心理現象を調べるために両方の分野のツール、理論、モデルを統合しています。それでも、研究課題と、多くの計時タスクが考案された目的の観点から、2つの分野を区別することは、有用な組織原則です。^[3]精神計時への実験的アプローチは、記憶、言語処理と生成、注意、視覚と聴覚の知覚の側面など、すべての人間に共通するさまざまな認知システムと機能の調査に使用されてきました。以下は、精神計時におけるいくつかのよく知られた実験タスクの簡単な概要です。

ソール・スターンバーグ(1966) は、被験者に短期記憶にある一意の数字のセットを記憶するように指示する実験を考案しました。被験者には、0 から 9 までの数字の形でプローブ刺激が与えられました。被験者は、プローブが前の数字のセットにあったかどうかをできるだけ早く答えました。最初の数字のセットのサイズによって、被験者の RT が決まりました。数字のセットのサイズが大きくなると、決定を下す前に完了する必要があるプロセスの数も増えるという考えです。したがって、被験者が短期記憶(STM) に 4 つの項目を持っている場合、プローブ刺激からの情報をエンコードした後、被験者はプローブを記憶内の 4 つの項目のそれぞれと比較してから決定を下す必要があります。最初の数字のセットに項目が 2 つしかない場合は、必要なプロセスは 2 つだけです。この研究のデータから、数字のセットに項目が追加されるたびに、被験者の応答時間が約 38 ミリ秒長くなることがわかりました。これは、被験者が記憶を通して連続的に網羅的な検索を行うのではなく、連続的に自己終了する検索を行うという考えを裏付けた。^[58]スターンバーグ（1969）は、RTを連続した段階に分割するための、加法因子法と呼ばれる大幅に改良された方法を開発した。^[59]

Shepardと Metzler (1971) は、互いに同一または鏡像である 2 つの 3 次元形状を提示した。同一かどうかを判断するための RT は、画像平面または奥行きの方向の角度差の線形関数であった。彼らは、観察者が 2 つのオブジェクトを比較できるように位置合わせするために一定速度の心的回転を行ったと結論付けた。^[60] Cooper と Shepard (1973) は、通常または鏡像反転した文字または数字を、直立または 60 度単位の回転角度で提示した。被験者は、刺激が通常か鏡像反転かを識別する必要があった。文字の方向が直立 (0 度) から反転 (180 度) にずれるにつれて、反応時間はほぼ線形に増加し、その後 360 度に達するまで再び減少する。著者らは、被験者は画像を最短距離だけ心的に回転させて直立させ、次にそれが通常か鏡像反転かを判断すると結論付けた。^[61]

メンタルクロノメトリーは、文章の理解に関連するプロセスのいくつかを識別するために使用されています。このタイプの研究は、通常、真肯定 (TA)、偽肯定 (FA)、偽否定 (FN)、真否定 (TN) の 4 種類の文章の処理の違いを中心に展開されます。絵は、これら 4 つのカテゴリのいずれかに該当する関連文とともに提示されます。被験者は、その文が絵と一致するかどうかを決定します。文の種類によって、決定を下す前に実行する必要があるプロセスの数が決まります。Clark と Chase (1972) および Just と Carpenter (1971) のデータによると、TA 文は FA、FN、TN 文よりも単純で、時間がかかりません。^{[62] [63]}

記憶の階層的ネットワークモデルは、メンタルクロノメトリーに関連するいくつかの発見により、ほとんどが放棄された。コリンズとキリアン（1969）が提案した学習可能な言語理解（TLC）モデルは階層構造を持ち、記憶の想起速度は、必要な情報を見つけるために横断する記憶レベルの数に基づくべきであると示唆していた。しかし、実験結果は一致しなかった。たとえば、被験者は、同じ2つの記憶レベルにアクセスする質問にもかかわらず、ダチョウが鳥であるよりも、ロビンが鳥であると答える方が確実に速いだろう。これが、記憶の拡散活性化モデル（例：コリンズ＆ロフタス、1975）の開発につながり、記憶のリンクは階層的ではなく、重要性によって編成されるようになった。^{[64] [65]}

1960年代後半、マイケル・ポズナーは、一対の文字の認識に関連するいくつかのタスクの精神的処理時間を測定するための一連の文字マッチング研究を開発しました。^[66]最も単純なタスクは物理的マッチングタスクで、被験者は一対の文字を見せられ、2つの文字が物理的に同一であるかどうかを識別する必要がありました。次のタスクは名前マッチングタスクで、被験者は2つの文字が同じ名前であるかどうかを識別する必要がありました。最も認知プロセスを伴うタスクはルールマッチングタスクで、被験者は提示された2つの文字が両方とも母音であるか母音でないかを判断しなければなりませんでした。

物理的一致タスクは最も単純で、被験者は文字をコード化し、それらを互いに比較し、決定を下す必要がありました。名前一致タスクを実行する場合、被験者は決定を下す前に認知ステップを追加する必要がありました。つまり、文字の名前を記憶から検索し、それらを比較してから決定する必要がありました。ルールベースのタスクでは、選択を行う前に文字を母音または子音に分類する必要もありました。ルール一致タスクの実行に要した時間は、名前一致タスクよりも長く、名前一致タスクは物理的一致タスクよりも長かったです。減算法を使用して、実験者は被験者がこれらの各タスクに関連する各認知プロセスを実行するのに要したおおよその時間を決定することができました。^[2]

微分心理学者は、実験心理学の時間測定研究によってモデル化された情報処理の原因と結果を頻繁に調査します。RTの従来の実験研究は、実験操作の影響を受ける従属的な尺度としてRTを使用して被験者内で行われますが、RTを研究する微分心理学者は、通常、条件を一定に保ち、RTの被験者間の変動と他の心理的変数との関係を確認します。^[3]

1世紀以上にわたって研究者たちは、反応時間と知能の尺度の間に中程度の相関関係があることを一般的に報告してきました。したがって、IQが高い人ほど反応時間のテストが速い傾向があります。そのメカニズムの根拠は依然として議論されていますが、今日では反応時間と認知能力の関係は心理学のあらゆる現象と同じくらい確立された経験的事実です。^{[3] 2008年の文献レビューでは、反応時間と知能のさまざまな尺度の平均相関は-0.24（} SD = 0.07）であることがわかりました。^[67]

反応時間と知能の尺度との関係性に関する実証的研究は、1900年代初頭まで遡る長い歴史があり、^{[68] [69]}初期の研究者の中には、5人の学生のサンプルでほぼ完璧な相関関係を報告した人もいます。^[70] 1933年に行われたこれらの初期の研究の最初のレビューでは、24を超える研究が分析され、知能の尺度とさまざまなRTタスクでのより速い反応の生成との間に、より小さいながらも信頼性の高い関連性が見つかりました。^[71]

21 世紀初頭まで、反応時間と知能を研究する心理学者は、そのような関連性を見つけ続けましたが、一般人口における反応時間と心理測定知能の関連の実際の大きさについてはほとんど合意できませんでした。これは、研究されたサンプルの大部分が大学から選ばれ、一般人口に比べて異常に高い知的能力スコアを持っていたためであると考えられます。^[72] 2001 年、心理学者のイアン J. ディアリーは、幅広い年齢層の代表的な人口サンプルにおける知能と反応時間に関する最初の大規模な研究を発表し、心理測定知能と単純反応時間の間には -0.31、四肢選択反応時間には -0.49 の相関関係があることを発見しました。^[73]

研究者たちは、RT と認知能力の関係の基礎を完全に説明する統一神経生理学理論について、まだ合意に達していません。それは、より効率的な情報処理、より優れた注意制御、または神経プロセスの完全性を反映している可能性があります。そのような理論は、関係のいくつかのユニークな特徴を説明する必要があり、そのうちのいくつかについては以下で説明します。

1. 反応時間試験の連続的な要素は、一般知能や心理測定学的gに等しく依存しているわけではない。例えば、研究者らは、反応の決定と反応自体に必然的に先行する複数の刺激の知覚処理は並行して処理できるが、決定要素は連続して処理されなければならないことを発見した。^{[74]さらに、一般知能の変動は主に反応時間のこの決定要素に表れるが、感覚処理と運動時間は主に}g以外の個人差を反映しているように見える。^[3]
2. 認知能力と反応時間の相関は、タスクの複雑さに応じて増大する。単純反応時間と複数選択反応時間のパラダイムにおける知能と反応時間の相関の違いは、この関連性がタスクで利用可能な選択肢の数によって大きく左右されるという、繰り返し研究されてきた発見を例証している。反応時間に対する理論的関心の多くは、ヒックスの法則によって推進された。ヒックスの法則は、反応時間の勾配が、必要な決定の複雑さ（情報理論の基礎としてクロード・シャノンが普及させた不確実性の単位で測定）と関係している。この法則は、非常に基本的な情報タスクであっても、知能と情報の解決を直接結び付けることを約束した。反応時間が厳密に制御されている限り、反応時間の勾配と知能の間には、ある程度の関連がある。^[75]この関係の大きさに影響を与える情報の「ビット」という概念は、アーサー・ジェンセンとジェンセン・ボックス・ツールによって普及され、彼の名前にちなんで「選択反応装置」は、反応時間と知能の研究における一般的な標準ツールとなった。^{[3] [76]}
3. RT試験の平均応答時間と変動性は、どちらもgとの関連性において独立した変動に寄与する。RTの標準偏差は、平均RTと同等かそれ以上に一般知能（g ）の指標と相関していることが分かっており、個人のRT分布における変動性または「広がり」が大きいほどgが低いことと強く関連し、gが高い個人は変動の少ない応答を示す傾向がある。^[77]
4. ある集団において反応時間の複数の尺度を研究する場合、因子分析によって反応時間の一般因子（Gと呼ばれることもある）の存在が示されます。この因子は心理測定学的なgと関連しつつもそれとは異なるものです。この RT の大きなGは、9 つ​​の個別の RT パラダイムを含む 4 つの研究をメタ分析した結果、RT の分散の 50% 以上を説明することが判明しました。^[3]この一般因子の生物学的および神経生理学的根拠はまだ十分には確立されていませんが、研究は継続中です。
5. 個人のRT試行の中で最も遅いものは、個人の最も速い反応よりも認知能力と強く関連する傾向があり、これは「最悪のパフォーマンスルール」として知られている現象です。^[78]

双子研究と養子縁組研究では、時間測定課題の成績は遺伝性があることが示されている。^{[79] [80] [81]}これらの研究全体の平均RTは約0.44の遺伝率を示しており、平均RTの分散の44％が遺伝的差異に関連していることを意味します。一方、RTの標準偏差は約0.20の遺伝率を示しています。さらに、平均RTとIQの測定値は0.90の範囲で遺伝的に相関していることが判明しており、IQと平均RTの間に観察されたより低い表現型の相関には、まだ知られていない環境要因が含まれていることを示唆しています。^[3]

2016年に行われた認知機能のゲノムワイド関連研究（GWAS）では、約95,000人のサンプルから、反応時間に関連する36のゲノムワイドな重要な遺伝子変異が見つかりました。これらの変異は、 2番染色体と12番染色体の2つの領域にまたがっていることがわかりました。これらの領域は、それぞれ精子形成とサイトカインおよび成長因子受容体によるシグナル伝達に関与する遺伝子内またはその近くにあるようです。この研究ではさらに、反応時間、記憶、言語的・数値的推論の間に有意な遺伝的相関関係があることもわかりました。 ^[82]

事象関連電位(ERP)を用いた神経生理学的研究では、P3 潜時を反応時間タスクの「決定」段階の相関関係として用いてきた。これらの研究では通常、gと P3 潜時の関連性の大きさは、タスク条件が厳しくなるほど大きくなることがわかっている。^[83] P3 潜時の測定は、最悪のパフォーマンス ルールとも一致していることがわかっている。つまり、P3 潜時の四分位平均と認知評価スコアの相関関係は、四分位が大きくなるにつれて、より強く負になる。^{[84]他の ERP 研究では、} g -RT 関係の解釈が主にタスクの「決定」要素にあることがわかっている。g 関連の脳活動のほとんどは、刺激評価の後、運動反応の前に発生する。^{[85]一方、感覚処理に関与する要素は、} gの違いによってほとんど変化しない。^[86]

反応時間と知能に関する統一理論は心理学者の間でまだ合意に達していないが、拡散モデルは有望な理論モデルを提供している。拡散モデルは、反応時間を「非決定」残余段階と確率的「拡散」段階に分割し、後者は2択課題における決定の生成を表す。^{[87] [88]}このモデルは、平均反応時間、応答時間の変動性、および拡散速度を、反応時間課題における決定を生成する証拠の蓄積された重みを表す変数としてモデル化する際の精度の役割をうまく統合している。拡散モデルでは、この証拠は、課題における各応答選択肢を表す2つの境界の間を連続的にランダムウォークすることによって蓄積される。このモデルの応用により、g -RT関係の基礎は、 gと非決定残余時間との関係ではなく、拡散プロセスの速度との関係であることがわかった。^{[89] [90] [91]}拡散モデルは、同じ能力尺度（拡散率）が単純な認知タスクと複雑な認知タスクの両方のパフォーマンスを媒介すると仮定することで、最悪のパフォーマンスルールをうまく説明することもできます。これは理論的に^[92]、経験的に^[93]サポートされています。このセクションでは、拡散モデルがRTと認知能力の関係を説明するのに役立つ方法について説明します。^[94]明確さを高めるには、専門用語と特に刺激的な例を混ぜ合わせます。たとえば、証拠が蓄積されるにつれて天秤がどちらかに傾き始めるという比喩は、説明を明確化する1つの方法です。また、実際の状況を鮮明な例として、法廷で証拠を分析することと比較する決定を審議するなど、実際の状況を挙げることができます。専門用語と実際の例を混ぜ合わせることで、読者は認知研究との関係で拡散モデルがどのように機能するかをより深く理解できます。

認知発達の研究にメンタルクロノメトリーを用いた最近の広範な研究がある。具体的には、情報処理速度のさまざまな尺度が、年齢の関数としての情報処理速度の変化を調べるために使用された。Kail (1991) は、処理速度が幼児期から成人期初期にかけて指数関数的に増加することを示した。^[95]さまざまな年齢の幼児におけるRTの研究は、クロノメトリーに通常関連しない活動に従事している子供たちの一般的な観察と一致している。^[3]これには、数を数える速度、物を取る速度、単語を繰り返す速度、および成長中の子供に急速に発達するその他の発声および運動能力の発達が含まれる。^[96]いったん早期成熟に達すると、中年から老年期にかけて処理速度が低下し始めるまで、長い安定期間が続く（Salthouse、2000）。^[97]実際、認知の遅延は、脳の機能と知能のより広範な変化の良い指標であると考えられている。デメトリウとその同僚は、処理速度を測定するさまざまな方法を用いて、それが作業記憶と思考の変化と密接に関連していることを示した（デメトリウ、モウイ、スパノウディス、2009）。これらの関係は、認知発達に関する新ピアジェ理論で広く議論されている。^[98]

老化の過程では、RTは低下し（流動性知能も同様）、この低下は実行機能、作業記憶、推論プロセスなど、他の多くの認知プロセスの変化と系統的に関連しています。^[98]認知発達に関する新ピアジェ理論の1つであるアンドレアス・デメトリウの理論^[99]では、RTの低下によって示される加齢による処理速度の変化は、認知発達の極めて重要な要因の1つです。

単純および選択反応時間タスクのパフォーマンスは、一般的な客観的な健康複合指標^[100]や心肺機能の健全性などの特定の指標を含む、さまざまな健康関連の結果と関連しています。^[101] IQと全死亡率の早期化との関連は、主に反応時間の指標によって媒介されていることがわかっています。^[102]これらの研究では、一般的に、反応時間タスクへのより速く正確な反応は、より良い健康結果とより長い寿命に関連していることがわかっています。

数人の研究者が、RTとビッグファイブの性格特性である外向性および神経症傾向との関連を報告している。これらの研究の多くはサンプル数が少ない（通常200人未満）が、その結果は、著者らが提案する生物学的にもっともらしいメカニズムとともに、以下に簡単にまとめられている。これらの関係を調べるために、より大規模なメタ分析も実施されている。^[103]数千人の被験者に基づくと、神経症傾向は負の相関関係（引きこもりおよび不安定性の側面で補正されたr = -.12）であり、外向性の熱意の側面は正の相関関係（単純反応時間で補正されたr = .21、選択反応時間で補正されたr = .15、選択移動時間で補正されたr = .16）であることが判明した。このパターンは、複合特性である楽観主義で観察されたものと類似している。協調性と誠実性には有意な関係は示されなかった。

2014年の研究では、外向性が高い参加者63人と低い参加者63人のサンプルで選択RTを測定し、外向性のレベルが高いほど反応が速いことがわかりました。^[104]著者らは、これは根本的な個人差ではなく特定のタスク要求の機能である可能性が高いと指摘していますが、他の著者は、RTと外向性の関係は運動反応の個人差を表しており、ドーパミンによって媒介される可能性があると提案しています。^[105]ただし、これらの研究はサンプル数が少ないため解釈が難しく、まだ再現されていません。

同様に、他の研究者は、RT と神経症傾向の間に小さな ( r < 0.20) 関連性を発見しました。神経症傾向の強い人ほど RT タスクが遅い傾向がありました。著者らは、これは刺激の強さの変化に対する覚醒閾値が高いことを反映していると解釈し、神経症傾向の強い人は比較的「弱い」神経系を持っているのではないかと推測しています。^[106] 242 人の大学生を対象としたやや大規模な研究では、神経症傾向は反応の変動性とより相関 ( r ≈ 0.25) しており、神経症傾向の強い人ほど RT 標準偏差が大きいことがわかりました。著者らは、神経症傾向が「精神的ノイズ」の干渉によって反応時間の変動が大きいのではないかと推測しています。^[107]

メタサイエンティストは、分析の選択が反応時間の分析にどのような順序で影響するかを頻繁に調査しています。前処理の影響は科学的証拠の推論を弱め、異なるが合理的なものとして見られることがあり、矛盾した結果、偽陽性、偽陰性につながります。^{[108] [109]} 特定の前処理方法を選択することの影響を考慮する必要があります（例：^{[109] [110]}第二に、私たち^{[誰？ ]は}、発見を再現および複製するために前処理の決定を開示する必要があります。^[111]）。その結果、サイモン効果に関する体系的な文献レビューにより、分析の選択が行われる順序が報告されることはほとんどなく、サイモン効果内の発見は異なる分析の選択に影響されていることが明らかになりました。その結果、反応時間データの透明性を最大化するために、決定をより明確かつ透明性のあるものにするために反応時間の前処理を報告するチェックリストが推奨されています^[112]。

• CDR コンピュータ評価システム
• 暗黙的連合テスト
• 検査時間
• ジェンセンボックス
• 学習における動き
• 精神運動興奮
• 精神運動学習
• 精神運動遅滞
• 時間制限拮抗反応アレチオメーター

• 反応時間テスト – ウェブ上でメンタルクロノメトリーを測定
• 認知心理学の歴史的入門
• 脳のタイミング: 神経科学のツールとしてのメンタルクロノメトリー