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精神時間測定は、認知課題における処理速度または反応時間を科学的に研究し、精神操作の内容、持続時間、および時間的順序を推測するものです。反応時間（RT、または「応答時間」とも呼ばれる）は、刺激の開始から個人の反応までの経過時間によって測定されます。これは、実験室環境で通常実施される比較的単純な知覚運動課題である基本認知課題（ECT）です。 [ 1 ]精神時間測定は、人間の実験心理学、認知心理学、および差異心理学の中核的な方法論的パラダイムの1つですが、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を解明するために、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ています。
精神時間測定法は、感覚刺激の開始からその後の行動反応までの経過時間を測定することで、神経系における情報処理の時間経過を研究します。 [ 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、個人がタスクに関連する精神操作をどれだけ速く実行できるかを示します。[ 3 ]行動反応は通常ボタンの押しですが、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ます。反応時間は、白質における信号伝達速度と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ます。[ 4 ]
心理学研究における精神時間測定法の使用範囲は広く、人間の聴覚系および視覚系における情報処理の法則定立モデルから、人間の認知能力、加齢、およびさまざまな臨床的および精神医学的結果における反応時間の個人差の役割などの差異心理学のトピックまでを網羅しています。[ 3 ]精神時間測定法の実験的アプローチには、音声および手指の潜時、視覚および聴覚的注意、時間判断および統合、言語および読解、運動時間と運動反応、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 ]反応時間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 ]
外部刺激に対する人間の反応が（神経などの）生物学的インターフェースを介して媒介されるという考え方は、科学という哲学分野そのものと同じくらい古い。ルネ・デカルトのような啓蒙思想家は、例えば痛みに対する反射反応は、今日では神経系の一部として認識されている何らかの繊維によって脳に伝達され、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とはならなかった。[ 7 ]
人間の反応時間を科学的変数として初めて記録したのは、それから数世紀後の天文学の分野で生じた実際的な問題からでした。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。当時、恒星が望遠鏡の縁を通過する時刻を推定するために、メトロノームの音を使用していました。ベッセルはこの方法では複数の天文学者の記録間でタイミングのずれがあることに気づき、これらの個々のタイミングの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間のこれらの差を最小限に抑える方法を模索するようになり、これは天文学的タイミングの「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、それを測定するための最初の装置の1つを設計したイギリスの統計学者カール・ピアソンによって詳細に研究されました。 [ 7 ]
反応時間の性質に関する純粋に心理学的な調査は、1850 年代半ばに始まった。定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差異心理学の 2 つの分野に分けられてきたと考えられている。[ 10 ]科学的心理学の初期の発展の 1 つは精神時間測定の科学的研究であり、1800 年代半ばには、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の速度を測定しようとして反応時間課題を設計したように、この区分の縮図を呈していた。例えば、ヴントは、キモグラフを使用して感情的な刺激が脈拍と呼吸数に影響を与えるかどうかをテストする実験を行った。[ 11 ]
フランシス・ゴルトン卿は、個人間の精神的な違いを特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性における個人差の平均値と範囲を決定することを明確な目的として、厳密な反応時間テストを初めて使用しました。ゴルトンは、知能の違いは感覚弁別と刺激に対する反応速度のばらつきに反映されると仮説を立て、視覚刺激や聴覚刺激に対する反応時間を含む、このさまざまな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、人間の反応時間の歴史的研究は、大きく分けて5つの異なる研究課題に関係しており、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へと発展したと指摘している。これらの領域は、感覚的要因、反応特性、準備、選択、意識的付随物として大まかに説明される。[ 8 ]
初期の研究者たちは、刺激の感覚的特性を変化させると反応時間に影響が出ることを指摘しており、刺激の知覚的顕著性を高めると反応時間が短くなる傾向がある。この変化は、いくつかの操作によって引き起こすことができ、そのうちのいくつかは以下で説明する。一般的に、感覚因子を操作すること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。[ 8 ]
刺激の感覚的特性が反応時間に及ぼす影響を数学的にモデル化しようとする初期の試みの1つは、刺激の強度を上げると反応時間が短くなる傾向があるという観察に基づいていた。例えば、アンリ・ピエロン（1920）は、この関係をモデル化するために、次のような一般的な形式の式を提案した。
どこ刺激強度を表す、還元可能な時間値を表します。これは、還元不可能な時間価値を表し、これは、感覚や条件によって異なる可変指数を表します。[ 12 ]この定式化は、刺激強度が一定値まで増加するにつれて反応時間が減少するという観察結果を反映しています。これは、人間の生理機能が意味を持って機能できなくなる理論上の下限値を表しています。[ 8 ]
1930年代初頭、刺激強度が反応時間を短縮する効果は絶対的なものではなく相対的なものであることがわかった。この現象の最初の観察の一つはカール・ホブランドの研究によるもので、彼は焦点距離の異なる一連のろうそくを用いて、刺激強度が反応時間に及ぼす影響は以前の順応レベルに依存することを実証した。[ 13 ]
刺激の強度に加えて、 RT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、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」）を変化させることもできます。この効果は、味覚刺激の検出のために味蕾上の面積を変化させることによって味覚の反応時間に関する初期の研究で記録されており[ 14 ]、視覚刺激のサイズを視覚野の面積として変化させることによっても同様に記録されています[ 15 ] [ 16 ]。同様に、反応時間課題で利用可能な刺激の持続時間を増やすと、視覚刺激[ 15 ]および聴覚刺激[ 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く、主に感覚受容体の感度によるものです[ 8 ] 。
反応時間課題で刺激が与えられる感覚様式は、さまざまな感覚に固有の求心性伝導時間、状態変化特性、感覚弁別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 ms 以内に中枢処理機構に到達できることを発見しましたが、[ 18 ]視覚刺激は 20〜40 ms 程度かかる傾向があります。[ 19 ]動物の感覚も、状態を急速に変化させる能力において大きく異なり、一部のシステムはほぼ瞬時に変化できますが、他のシステムははるかに遅くなります。たとえば、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 ]特定の感覚の感覚弁別範囲も、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、キーゾウ（1903）は味覚の反応時間課題において、人間の被験者は砂糖よりも塩の存在に敏感であり、塩に対する反応時間は砂糖に対する反応時間よりも100ミリ秒以上速いことを発見した。[ 20 ]
反応特性が反応時間に及ぼす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心が向けられていた。例えば、Travis (1929) は、キーを押す反応時間課題において、参加者の 75% が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（毎秒約 8～12 回）の下降期を取り入れる傾向が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、特定の反応時間は振戦周期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た。この発見は、1900 年代半ばに行われたその後の研究によってさらに裏付けられ、刺激が振戦周期の頂点または底点付近で提示された場合、反応のばらつきが少なくなることが示された。[ 22 ]
予測的筋緊張は、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 つの生理学的要因です[ 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、刺激開始時の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。覚醒が低い場合は、筋緊張が弱いほど反応が遅くなります。しかし、覚醒が高すぎると (したがって筋緊張が高すぎると)、信号対雑音比が損なわれるため、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、反応時間の予測因子としての生理学的反応特性は、主に中枢処理の外部で作用するため、これらの効果は後述する準備の効果とは区別されます。
初期の時間計測研究で最初に観察されたもう 1 つの点は、刺激の出現に先立つ「警告」サインが通常、反応時間の短縮につながるということだった。この短い警告期間は、この基礎的な研究では「期待」と呼ばれ、単純な反応時間課題では、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る。精神時間計測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る。これは、刺激提示に先立つ可変的な前期間の使用という形で、今日の現代の研究に反映されている。 [ 8 ]
この関係は、次の式で簡単に要約できます。
どこそしてはタスクに関連する定数であり、は、任意の時点で刺激が現れる確率を表します。[ 8 ]
単純なRT課題では、一連の試行にわたって約300msの一定の前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、数百秒の前期間まで実証されています。[ 25 ]可変間隔の前期間は、同じ頻度でランダムな順序で提示された場合、間隔が系列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速くなったり遅くなったりします。[ 26 ] [ 27 ] 300ms未満の前期間が一定か可変かにかかわらず、警告の処理が刺激が到着する前に完了する時間がないため、RTが遅れる可能性があります。この種の遅延は、この基礎的な研究の後の世紀に多くの経験的注目を集めた複雑なトピックである、直列的に組織化された中枢処理の問題に重大な意味を持ちます。[ 28 ]
可能な選択肢の数は、反応時間の重要な決定要因として早くから認識されており、反応時間は可能な信号の数と可能な応答の数の両方に応じて長くなる。[ 8 ]
反応時間における応答オプションの重要性を最初に認識した科学者はフランシスクス・ドンデルス（1868/1969）でした。ドンデルスは、単純反応時間は認識反応時間よりも短く、選択反応時間は両方よりも長いことを発見しました。[ 29 ]ドンデルスはまた、精神操作が行われるのにかかる時間を分析するための減算法を考案しました。[ 30 ]例えば、選択反応時間から単純反応時間を減算することで、関連付けを行うのに必要な時間を計算することができます。この方法は、単純な知覚運動課題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精神時間測定テストの将来の研究の道を開いたものの、欠点がないわけではなかった。彼の挿入法は「純粋挿入」と呼ばれることが多く、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構成要素には影響しないという仮定に基づいていた。RTへの増分効果が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では成り立たなかった。それにもかかわらず、ドンダースの理論は依然として関心を集めており、彼の考えは、より正確に使用するための統計ツールを備えた心理学の特定の分野で今でも使用されている。[ 3 ]
ヴントや他の構造主義心理学者による初期の研究を特徴づけてい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廃れてしまった。しかしながら、反応時間の文脈における意識的な付随現象の研究は、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、ヴントと彼の協力者であるオズワルド・キュルペは、参加者にそのような課題の実行中に起こった意識的なプロセスを説明させることで、反応時間を研究することが多かった。[ 8 ]
標準反応時間パラダイムからの時間計測値は、刺激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）で測定され、等間隔で真のゼロを持つ比率尺度測定とみなされます。 [ 3 ]
クロノメトリック課題における反応時間は、通常、次の 5 つの測定カテゴリに関係します。特定の人または課題条件に対する多数の個別試行にわたる反応時間の中心傾向。これは通常、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。個人内変動性。これは、課題の条件内または条件間の個々の反応の変動です。歪度。これは、試行間の反応時間分布の非対称性の尺度です。傾き。これは、異なるタイプまたは複雑さの課題間の平均 RT の差です。精度またはエラー率。これは、特定の人または課題条件に対する正しい反応の割合です。[ 3 ]
単純反応時間課題における人間の反応時間は通常 200 ms 程度である。この短い時間内に起こるプロセスにより、脳は周囲の環境を認識し、関心のある対象を識別し、対象に対する行動を決定し、運動を実行するための運動指令を発行することができる。これらのプロセスは知覚と運動の領域にまたがり、知覚的意思決定と運動計画を伴う。[ 31 ]多くの研究者は、有効な反応時間試行の下限は 100 ms から 200 ms の間であると考えており、これは刺激の知覚や運動反応などの生理学的プロセスに必要な最低限の時間と考えられる。[ 32 ]これより速い反応は、多くの場合「予測的反応」によるものであり、刺激の開始前にすでに運動反応がプログラムされ、進行中であるため、[ 3 ]関心のあるプロセスを反映していない可能性が高い。[ 6 ]
個々の被験者の反応時間試行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）に従うことはまれです。典型的なパターンは、平均RTは常に中央値RTよりも大きく、中央値RTは分布の最大高さ（最頻値）よりも大きい値になります。この標準的なパターンの最も明白な理由の1つは、特定の試行の反応時間を延長する要因はいくつでも存在するものの、特定の試行のRTを人間の知覚限界（通常100～200msの間と考えられている）を超えて短縮することは生理学的に不可能であり、また、試行の継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 ]
個人の反応時間分布の右裾を広げる変動の理由の1つは、瞬間的な注意の途切れです。個々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実行させ、そこから「典型的な」またはベースライン反応時間の尺度を計算できるようにします。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であることはほとんどなく、代替アプローチ（反応時間分布全体をモデル化するなど）の方が適切な場合が多いです。[ 32 ]
RT測定を分析するために、さまざまなアプローチが開発されてきました。特に、外れ値のトリミング[ 33 ]、データ変換[ 32 ] 、測定の信頼性と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 ] 、確率的順序に関連する比較[ 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[ 6 ]から生じる問題に効果的に対処する方法などです。
ドンダースによる反応選択肢の数が反応時間（RT）に及ぼす影響に関する初期の観察に基づき、W.E.ヒック（1952）は、 n個の選択肢が等しく可能な9つのテストからなるRT実験を考案した。この実験では、各試行における選択肢の数に基づいて被験者のRTを測定した。ヒックは、個人のRTが、利用可能な選択肢の数、つまり次にどの反応刺激が現れるかという「不確実性」の関数として一定量増加することを示した。不確実性は「ビット」で測定され、これは情報理論において不確実性を半分に減らす情報量として定義される。ヒックの実験では、RTは利用可能な選択肢の数（n ）の二進対数の関数であることがわかった。この現象は「ヒックの法則」と呼ばれ、「情報獲得率」の尺度であると言われている。この法則は通常、次の式で表される。
どこそして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例です。[ 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例があり、レストランのメニューやウェブインターフェース（その他）は、消費者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 ]
ドリフト拡散モデル（DDM）は、（通常は2択の）反応時間課題における試行間の反応時間と精度のばらつきを説明するために明確に定義された数学的定式化である。[ 41 ]
このモデルとその変種は、反応時間試行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説明しています。試行間の反応時間の分布は、基礎となる「ランダムウォーク」成分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ます。ドリフト率（v）は、このランダムノイズが存在する場合にこの証拠が蓄積される平均速度です。決定閾値（a）は、決定境界の幅、つまり反応が行われる前に必要な証拠の量を表します。蓄積された証拠が正しい境界または間違った境界のいずれかに達すると、試行は終了します。[ 42 ]
現代の時間計測研究では、一般的に、以下の広範な反応時間課題パラダイムの1つまたは複数のバリエーションが用いられるが、これらは必ずしも相互に排他的である必要はない。
単純反応時間とは、観察者が刺激の存在に反応するために必要な動作のことです。たとえば、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ることがあります。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選手の平均反応時間は、男性が166ms、女性が169msでしたが、1,000回のスタートのうち1回は、それぞれ109msと121msを達成できます。[ 44 ]この研究では、女性の反応時間が長いのは測定方法のアーティファクトである可能性があり、スタートブロックセンサーシステムがパッドへの圧力不足による女性のフライングスタートを見落としている可能性があることも示唆しています。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精度が向上すると示唆しました。
IAAFには、選手が100ミリ秒未満で動いた場合、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、2009年にIAAFが委託した調査で、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場合があることが示されたにもかかわらずである。[ 45 ]
認識課題やゴー／ノーゴー反応時間課題では、被験者はある種類の刺激が現れたときにボタンを押し、別の種類の刺激が現れたときには反応を控えることが求められます。例えば、緑色のライトが現れたときにボタンを押し、青色のライトが現れたときには反応しない、といった課題です。
弁別反応時間では、同時に提示された一対の視覚ディスプレイを比較し、関心のある何らかの次元において、どちらのディスプレイがより明るく、より長く、より重く、またはより大きいかに応じて、2つのボタンのうちの1つを押します。弁別反応時間のパラダイムは、刺激が同時、連続、または継続的に投与される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、同時弁別反応時間パラダイムの古典的な例では、長さの異なる2本の垂直線が参加者に同時に並べて表示されます。参加者は、右側の線が左側の線より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ます。これらの線のうち1本は試行を通して一定の長さを保ち、もう1本は15種類の異なる値を取り、それぞれがセッション全体で同じ回数だけ提示されます。[ 47 ]
刺激を成功裏に、または連続的に与える2番目のタイプの弁別パラダイムの例としては、参加者に2つの重りを連続して持ち上げてもらい、2番目の重りが1番目の重りより重いか軽いかを判断するように求める1963年の古典的な研究がある。[ 48 ]
3つ目の広義の弁別反応時間課題は、刺激が連続的に提示されるもので、1955年の実験がその一例である。この実験では、参加者はシャッフルされたトランプの束を、カードの裏面にドットの数が多いか少ないかに応じて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、多くの場合、課題を完了するのにかかる合計時間で測定される。[ 49 ]
選択反応時間（CRT）課題では、考えられる刺激の種類ごとに異なる反応が求められます。複数の異なる信号に対して単一の反応を求める選択反応時間課題では、4つの異なるプロセスが順次発生すると考えられています。まず、刺激の感覚的特性が感覚器官によって受け取られ、脳に伝達されます。次に、信号が個人によって識別、処理、推論されます。3番目に、選択決定が行われます。4番目に、その選択に対応する運動反応が開始され、動作によって実行されます。[ 50 ]
CRTタスクは非常に多様です。あらゆる感覚様式の刺激が用いられ、最も一般的には視覚または聴覚の性質を持ち、通常はキーやボタンを押すことで示される反応が求められます。たとえば、被験者は赤いライトが表示されたらあるボタンを押し、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る場合があります。ジェンセンボックスは、視覚刺激とキープレス反応による選択反応時間を測定するように設計された装置の一例です。[ 49 ]反応基準は、ストループタスクのオリジナルバージョンのように、発声の形をとることもあります。このバージョンでは、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タスクの現代版も、発声による反応を伴う多肢選択式CRTパラダイムの一例です。[ 52 ]
選択反応時間のモデルは、ヒックの法則と密接に関連している。ヒックの法則は、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仮定している。ヒックの法則は次のように言い換えることができる。
どこは試行全体における平均反応時間を示し、は定数であり、これは、「信号なし」を含む可能性の総和を表します。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（（元の定式化において）。[ 50 ]
PETやfMRIといった機能的神経画像技術の登場により、心理学者は精神時間測定法のパラダイムを機能画像用に修正し始めた。[ 53 ]精神生理学者は数十年にわたり脳波測定を行ってきたが、PETで得られた画像は神経科学の他の分野からも大きな関心を集め、近年では精神時間測定法がより幅広い科学者の間で普及している。精神時間測定法は、認知プロセスに関与する脳の部位を神経画像で示す反応時間ベースの課題を実行することによって利用される。[ 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に求めた研究において、電気的な事象関連電位による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算理論によれば、このタスクを実行する際に関与する各段階には、符号化、5の記憶表現との比較、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、この単純な精神的時間計測タスクを実行している間に、これらの段階が脳のどの場所で発生しているかを具体的に示しています。
1980年代には、神経画像実験によって、放射性核種を注入し、陽電子放出断層撮影法（PET）を用いて局所的な脳領域の活動を検出することが可能になった。また、fMRIも用いられ、精神時間計測課題中に活動する脳領域が正確に特定された。多くの研究で、これらの認知課題の遂行に関与する脳領域は少数で、広範囲に分布していることが示されている。
現在の医学的レビューによると、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、反応時間の改善（短縮）と強い正の相関関係にあることが示されています。[ 55 ]例えば、アンフェタミンなどのドーパミン作動薬は、間隔測定中の反応を促進することが示されていますが、ドーパミン拮抗薬（特にD2型受容体に対するもの）は逆の効果をもたらします。[ 55 ]同様に、ドーパミントランスポーターのSPECTイメージングによって測定される線条体からのドーパミンの加齢に伴う減少は、反応時間の遅延と強い相関関係があります。[ 56 ]
精神操作は実行に必要な時間で測定できるという仮定は、現代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時間経過を通して、さまざまな脳システムがどのように刺激を獲得、処理、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反応時間を従属変数として使用することがよくあります。[ 2 ]この精神時間測定の研究へのアプローチは、通常、測定された反応時間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検証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、個人差を調査するための時間計測ツールの使用との区別は、実際的なものというより概念的なものであり、多くの現代の研究者は、心理現象を調査するために、両方の分野のツール、理論、モデルを統合しています。とはいえ、研究課題と、多くの時間計測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整理原則です。[ 3 ]精神時間計測への実験的アプローチは、記憶、言語処理と産出、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を調査するために使用されてきました。以下は、精神時間計測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、被験者に一連の固有の数字を短期記憶に記憶させる実験を考案した。被験者には、0～9の数字のプローブ刺激が与えられた。被験者は、プローブが前の数字のセットに含まれているかどうかをできるだけ速く答えた。被験者の反応時間は、最初の数字のセットのサイズによって決まった。この考え方は、数字のセットのサイズが大きくなるにつれて、決定を下す前に完了する必要のある処理の数も増えるというものである。つまり、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符号化した後、被験者はプローブを記憶内の4つの項目それぞれと比較し、決定を下す必要がある。最初の数字のセットに2つの項目しかない場合は、2つの処理しか必要ない。この研究のデータによると、数字のセットに項目が1つ追加されるごとに、被験者の反応時間に約38ミリ秒が加算された。これは、被験者が記憶を逐次的に検索するのではなく、逐次的に網羅的に検索するという考えを裏付けた。[ 58 ]スターンバーグ（1969）は、RTを連続的または逐次的な段階に分割する大幅に改善された方法を開発し、加算因子法と呼ばれた。[ 59 ]
シェパードとメッツラー（1971）は、互いに同一または鏡像である一対の3次元図形を提示した。それらが同一であるかどうかを判断する反応時間は、画像平面内または奥行き方向の向き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整列させるために、一定の速度で心的回転を行ったと結論付けた。[ 60 ]クーパーとシェパード（1973）は、正常または鏡像反転した文字または数字を提示し、正立または60度単位で回転した角度で提示した。被験者は、刺激が正常か鏡像反転かを識別する必要があった。文字の向きが正立（0度）から倒立（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した。著者らは、被験者は画像を心の中で最短距離だけ正立に回転させ、それが正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、文の理解に関連するいくつかのプロセスを特定するために使用されてきました。この種の研究は通常、4 種類の文の処理の違いを中心に展開されます。真肯定文 (TA)、偽肯定文 (FA)、偽否定文 (FN)、および真否定文 (TN) です。これらの 4 つのカテゴリのいずれかに該当する関連する文とともに画像が提示されます。被験者は、文が画像と一致するか一致しないかを判断します。文の種類によって、決定を下す前に実行する必要の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、および TN 文よりも単純で、最も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、大部分が破棄されました。コリンズとクィリアン（1969）が提案したTeachable Language Comprehender（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たどる記憶のレベル数に基づくべきであると示していました。しかし、実験結果はこれと一致しませんでした。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であるにもかかわらず、ダチョウが鳥であると答えるよりも、コマドリが鳥であると答える方が確実に速くなります。このことから、記憶の拡散活性化モデル（例：コリンズとロフタス、1975）が開発され、記憶内のリンクは階層的ではなく重要度によって組織化されるようになりました。[ 64 ] [ 65 ]
1960年代後半、マイケル・ポズナーは、文字ペア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に、一連の文字マッチング研究を開発した。[ 66 ]最も単純なタスクは物理的マッチングタスクで、被験者は文字ペアを見せられ、2つの文字が物理的に同一かどうかを識別する必要があった。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った。最も多くの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どうかを判断しなければならなかった。
物理的一致課題は最も単純で、被験者は文字を符号化し、それらを比較し、決定を下す必要がありました。名前一致課題では、被験者は決定を下す前に認知的な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を下す必要がありました。ルールに基づく課題では、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。ルール一致課題の実行時間は名前一致課題よりも長く、名前一致課題は物理的一致課題よりも長くなりました。減算法を用いることで、実験者は被験者がこれらの各課題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 ]
差異心理学者は、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、RTを実験操作によって影響を受ける従属変数とする被験者内研究として実施されますが、RTを研究する差異心理学者は、通常、RTの被験者間変動と他の心理変数との関係を明らかにするために条件を一定に保ちます。[ 3 ]
1世紀以上にわたる研究者たちは、一般的に反応時間と知能の測定値の間に中程度の相関関係があると報告してきた。つまり、IQが高い人は反応時間テストでより速く反応する傾向がある。そのメカニズム的根拠については依然として議論されているが、今日では反応時間と認知能力の関係は、心理学における他のどの現象にも劣らず確立された経験的事実である。[ 3 ] 2008年の文献レビューでは、さまざまな反応時間と知能の測定値間の平均相関は-0.24（ SD = 0.07）であることが判明した。[ 67 ]
反応時間と知能の測定値との関係の性質に関する実証的研究は、1900 年代初頭に遡る長い研究の歴史があり、[ 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全な相関関係を報告した者もいる。[ 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、20 を超える研究を分析し、知能の測定値とさまざまな RT タスクでのより速い反応の生成との間に、より小さいが信頼できる関連性があることを発見した。[ 71 ]
21世紀初頭まで、反応時間と知能を研究する心理学者たちは、そのような関連性を発見し続けていましたが、一般集団における反応時間と心理測定知能の関連性の真の大きさについては、ほとんど合意に至りませんでした。これは、研究対象となったサンプルの大部分が大学から選ばれており、一般集団に比べて異常に高い精神能力スコアを持っていたことが原因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集団サンプルにおける知能と反応時間の最初の大規模研究を発表し、心理測定知能と単純反応時間の間に-0.31、4択反応時間の間に-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、反応時間と認知能力の関係の根拠を完全に説明する統一的な神経生理学的理論について、いまだに合意に至っていない。この関係は、より効率的な情報処理、より優れた注意制御、あるいは神経プロセスの健全性を反映している可能性がある。このような理論は、両者の関係におけるいくつかの特異な特徴を説明する必要があり、そのうちのいくつかは以下で論じる。
双生児研究や養子縁組研究では、時間計測課題の成績は遺伝性があることが示されています。[ 79 ] [ 80 ] [ 81 ]これらの研究における平均反応時間（RT）の遺伝率は約0.44であり、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の標準偏差の遺伝率は約0.20です。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わかっており、IQと平均RTの間で観察される表現型の相関が低いのは、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人のサンプルにおいて、反応時間に関連するゲノムワイド有意な遺伝子変異が36個発見されました。これらの変異は、染色体2と染色体12の2つの領域にまたがっており、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活動に関与する遺伝子内またはその近傍にあるようです。この研究ではさらに、反応時間、記憶、および言語数的推論の間に有意な遺伝的相関があることも発見されました。 [ 82 ]
事象関連電位（ERP）を用いた神経生理学的研究では、反応時間課題の「決定」段階の相関としてP3潜時が用いられてきた。これらの研究では、一般的に、 gとP3潜時の関連性の大きさは、より要求度の高い課題条件で増大することが分かっている。[ 83 ]また、P3潜時の測定値は、最悪のパフォーマンス規則とも一致することが分かっている。この規則では、P3潜時の分位平均と認知評価スコアの相関は、分位が増加するにつれてより強い負の相関となる。[ 84 ]他のERP研究では、 g -RT関係の解釈が、主に課題の「決定」要素に存在するという解釈と一致することが分かっている。この要素では、g関連の脳活動のほとんどが刺激評価の後、運動反応の前に発生する。[ 85 ]一方、感覚処理に関わる要素は、 gの違いによってほとんど変化しない。[ 86 ]
反応時間と知能の統一理論は心理学者の間でまだ合意に至っていないが、拡散モデルは有望な理論モデルの一つを提供している。拡散モデルは、反応時間を残余の「非決定」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、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拡散率をモデル化する際に、平均反応時間、反応時間の変動性、および正確性の役割をうまく統合している。拡散モデルの下では、この証拠は、課題における各応答選択を表す2つの境界の間で連続的なランダムウォークを行う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、非決定残余時間ではなく、拡散プロセスの速度とgの関係であることが具体的に示されている。[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]拡散モデルは、同じ能力尺度（拡散率）が単純な認知課題と複雑な認知課題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 ]および経験的に[ 93 ]支持されています。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どのように役立つかを詳しく説明します。[ 94 ]明確さを高めるには、専門用語と特に示唆に富む例を組み合わせることが考えられます。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メタファーは、それをより明確にする方法の1つです。また、鮮やかな例としては、法廷で証拠を分析することと比較される決定について熟考するなど、現実世界の状況が挙げられます。専門用語と実践的な例を組み合わせることで、読者は拡散モデルが認知研究に関連してどのように機能するかについてより深く理解することができます。
There is extensive recent research using mental chronometry for the study of cognitive development. Specifically, various measures of speed of processing were used to examine changes in the speed of information processing as a function of age. Kail (1991) showed that speed of processing increases exponentially from early childhood to early adulthood.[95] Studies of RTs in young children of various ages are consistent with common observations of children engaged in activities not typically associated with chronometry.[3] This includes speed of counting, reaching for things, repeating words, and other developing vocal and motor skills that develop quickly in growing children.[96] Once reaching early maturity, there is then a long period of stability until speed of processing begins declining from middle age to senility (Salthouse, 2000).[97] In fact, cognitive slowing is considered a good index of broader changes in the functioning of the brain and intelligence. Demetriou and colleagues, using various methods of measuring speed of processing, showed that it is closely associated with changes in working memory and thought (Demetriou, Mouyi, & Spanoudis, 2009). These relations are extensively discussed in the neo-Piagetian theories of cognitive development.[98]
During senescence, RT deteriorates (as does fluid intelligence), and this deterioration is systematically associated with changes in many other cognitive processes, such as executive functions, working memory, and inferential processes.[98] In the theory of Andreas Demetriou,[99] one of the neo-Piagetian theories of cognitive development, change in speed of processing with age, as indicated by decreasing RT, is one of the pivotal factors of cognitive development.
Performance on simple and choice reaction time tasks is associated with a variety of health-related outcomes, including general, objective health composites[100] as well as specific measures like cardiorespiratory integrity.[101] The association between IQ and earlier all-cause mortality has been found to be chiefly mediated by a measure of reaction time.[102] These studies generally find that faster and more accurate responses to reaction time tasks are associated with better health outcomes and longer lifespan.
複数の研究者が、反応時間とビッグファイブ性格特性の外向性と神経症傾向との関連性を報告している。これらの研究の多くはサンプルサイズが小さい（一般的に200人未満）という問題があるが、その結果は、著者らが提案する生物学的に妥当な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 ]数千人の個人に基づくと、神経症傾向は負の相関関係（外向性と変動性の側面との補正r = -.12）であり、外向性の熱意の側面は正の相関関係（単純反応時間との補正r = .21、選択反応時間との.15、選択運動時間との.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同様である。協調性と誠実性は、意味のある関係を示さなかった。
2014年の研究では、外向性の高い参加者63名と外向性の低い参加者63名を対象に選択反応時間を測定したところ、外向性のレベルが高いほど反応が速いことがわかった。[ 104 ]著者らは、これは根本的な個人差ではなく、特定の課題要求によるものである可能性が高いと指摘しているが、他の研究者らは、反応時間と外向性の関係は、ドーパミンによって媒介される可能性のある運動反応における個人差を表していると提唱している。[ 105 ]しかし、これらの研究はサンプル数が少ないため解釈が難しく、まだ再現されていない。
同様に、他の研究者らは、反応時間（RT）と神経症傾向の間に小さな相関（r < 0.20）があることを発見しており、神経症傾向の高い人はRT課題で反応が遅くなる傾向がある。著者らはこれを、さまざまな強度の刺激に対する覚醒閾値が高いことを反映していると解釈し、神経症傾向の高い人は比較的「弱い」神経系を持っている可能性があると推測している。[ 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ばらつきとより実質的な相関（ r ≈ 0.25）があることがわかり 、神経症傾向が高いほどRTの標準偏差が大きくなることが関連付けられている。著者らは、神経症傾向は「精神的ノイズ」の干渉によって反応時間のばらつきを大きくする可能性があると推測している。[ 107 ]
メタ科学者は、分析の選択が反応時間の分析にどのような影響を与えるかを頻繁に調査します。前処理の影響は推論の科学的証拠を弱め、異なるが合理的であると見なされ、矛盾する結果、偽陽性、偽陰性につながる可能性があります。[ 108 ] [ 109 ]特定の前処理方法を選択する影響を最初に考慮する必要があり、[ 109 ] [ 110 ]次に、将来の再現研究を可能にするためにこの選択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では、分析の選択を実行す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さまざまな分析の選択に影響され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の反応時間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 ]
The neurotransmitter dopamine is released from projections originating in the midbrain. Manipulations of dopaminergic signaling profoundly influence interval timing, leading to the hypothesis that dopamine influences internal pacemaker, or "clock," activity (Maricq and Church, 1983; Buhusi and Meck, 2005, 2009; Lake and Meck, 2013). For instance, amphetamine, which increases concentrations of dopamine at the synaptic cleft (Maricq and Church, 1983; Zetterström et al., 1983) advances the start of responding during interval timing (Taylor et al., 2007), whereas antagonists of D2 type dopamine receptors typically slow timing (Drew et al., 2003; Lake and Meck, 2013). ... Depletion of dopamine in healthy volunteers impairs timing (Coull et al., 2012), while amphetamine releases synaptic dopamine and speeds up timing (Taylor et al., 2007).
