心理物理学

心理物理学は、物理的刺激とそれが生み出す感覚や知覚との関係を定量的に調査します。心理物理学は「刺激と感覚の関係を科学的に研究するもの」^[1]、またはより正確には「刺激の特性を1つ以上の物理的次元に沿って体系的に変化させることが被験者の経験や行動に与える影響を研究することによる知覚プロセスの分析」^{[2]と説明されています。}

心理物理学は、知覚システムの研究に適用できる一般的な手法を指すこともあります。現代の応用では、閾値測定、^[3] 理想観察者分析、信号検出理論に大きく依存しています。^[4]

心理物理学は、広範囲かつ重要な実用的応用を持っています。たとえば、デジタル信号処理の分野では、心理物理学からの洞察が非可逆圧縮のモデルと方法の開発を導いてきました。これらのモデルは、オーディオ信号やビデオ信号を非可逆圧縮技術で圧縮した場合、人間が通常、信号品質の低下が最小限であると認識する理由を説明するのに役立ちます。

心理物理学の古典的な手法や理論の多くは、1860年にライプツィヒのグスタフ・テオドール・フェヒナーが『心理物理学要綱』を出版したときに策定されました。^{[5]彼は「心理物理学」という用語を造り出し、物理的刺激を}感覚などの意識の内容に関連付けることを目的とした研究を説明しました。物理学者で哲学者のフェヒナーは、物質と心を関連付け、公的に観察可能な世界と人が個人的に経験したその世界に対する印象を結び付ける方法を開発することを目指しました。彼のアイデアは、1830年代初頭にドイツの生理学者エルンスト・ハインリヒ・ウェーバーがライプツィヒで得た触覚と光の感覚に関する実験結果、^{[6] [7]}に触発されたものである。最も有名なのは、中程度の強さの刺激の最小の識別可能な強度差（丁度知覚可能な差; jnd）に関する実験結果であり、ウェーバーはこれが基準強度の一定分数であることを示し、フェヒナーはこれをウェーバーの法則と呼んだ。フェヒナーはここから、現在フェヒナー尺度として知られる対数尺度を導き出した。ウェーバーとフェヒナーの研究は科学としての心理学の基礎の1つを形成し、ヴィルヘルム・ヴントはライプツィヒに心理学研究のための最初の研究所（Institut für experimentelle Psychologie）を設立した。フェヒナーの研究は、内省主義的アプローチ（意識の科学としての心理学）を体系化したが、それは言語的反応さえも刺激と同じくらい物理的なものであるとする行動主義的アプローチと対峙しなければならなかった。

フェヒナーの研究はチャールズ・S・ピアースによって研究され、拡張された。ピアースは弟子のジョセフ・ジャストローの助けを借り、ジャストローはすぐに自らも著名な実験心理学者となった。ピアースとジャストローはフェヒナーの実験的発見を大部分確認したが、すべてではなかった。特に、ピアースとジャストローの古典的な実験は、重さの知覚の閾値に関するフェヒナーの推定を否定した。実験において、ピアースとジャストローは実際にランダム化実験を発明した。彼らは、重さを識別する能力を評価するために、ボランティアを無作為に盲検反復測定設計に割り当てた。 ^{[8] [9] [10] [11]} その結果に基づき、彼らは基礎となる関数は連続的であり、それ以下では物理的大きさの違いが検出されない閾値はないと主張した。ピアースの実験は心理学や教育の他の研究者に影響を与え、1900年代には実験室や専門の教科書でランダム化実験を行う研究の伝統が生まれた。^{[8] [9] [10] [11]}

ピアース＝ジャストローの実験は、ピアースが自身のプラグマティズムプログラムを人間の知覚に適用する一環として行われた。他の研究では、光の知覚などが検討された。 ^[12] ジャストロウは次のようにまとめている。「パース氏の論理学の講義は、私に初めて知的な筋力を実際に体験させた。スタンレー・ホールが心理学の研究室を設立したとき、私はすぐにそこへ行ったが、心理的問題の取り扱いについて私に最初の訓練を与え、同時に、当時は実験室での習慣がほとんどなかった私に、本当の研究を任せることで私の自尊心を刺激したのはパースだった。彼は私のために装置を借り、私はそれを自分の部屋に持ち込んで窓際に設置し、照明条件が適切だったときにそれを使って観察を行った。結果は、私たちの共同名義で米国科学アカデミー紀要に掲載された。意識に記録するにはあまりにもわずかな感覚効果の痕跡でも、それでも判断に影響を与える可能性があるという実証は、それ自体が、何年も後に私が潜在意識に関する本を書くきっかけとなった永続的な動機であったのかもしれない。」この研究は、観察可能な認知能力と意識の表現を明確に区別している。

視覚、聴覚、触覚の研究などの感覚知覚に対する現代的なアプローチは、知覚者の判断が刺激から抽出したものを測定し、どのような感覚が経験されているかという疑問をしばしば脇に置いている。主要な方法の 1 つは、非常に弱い刺激の場合のために開発された信号検出理論に基づいています。しかし、主観主義的なアプローチは、スタンレー・スミス・スティーブンス(1906–1973) の伝統を受け継ぐ人々の間では存続しています。スティーブンスは、フェヒナーの対数線形関数とは対照的に、19 世紀の研究者によって示唆されたべき乗法則のアイデアを復活させました (スティーブンスのべき乗法則を参照)。彼はまた、刺激の強さに比例して数値を割り当てることを提唱しました。これはマグニチュード推定と呼ばれます。スティーブンスは、マグニチュード生成やクロスモダリティマッチングなどの手法を追加しました。彼は、強度順にラベル付けされた線上の点に刺激の強さを割り当てることに反対しました。それでも、その種の応答は応用心理物理学で人気を博し続けています。このような複数カテゴリのレイアウトは、リッカートが複数項目の心理測定尺度を作成するために使用する質問項目（「強く同意する」から「強く同意しない」までの 7 つのフレーズなど）にちなんで、リッカート尺度と誤って名付けられることがよくあります。

オマール・ハリーファ^[13]は、中世の科学者アルハゼンが心理物理学の創始者と見なされるべきだと主張している。アル・ハイサムは視覚に関して多くの主観的な報告をしたが、彼が定量的な心理物理学的手法を使用したという証拠はなく、そのような主張は否定されている。^{[14] [疑わしい–議論する]}

心理物理学者は通常、強度の異なる純音や輝度の異なる光など、客観的に測定できる実験刺激を使用します。視覚、聴覚、触覚（皮膚感覚や腸管知覚を含む）、味覚、嗅覚、時間感覚など、すべての標準的な感覚が研究されています。感覚領域に関係なく、調査の主な領域は、絶対閾値、弁別閾値（例：ぎりぎり知覚できる差異）、スケーリングの 3 つです。

閾値（またはリメン）とは、被験者が刺激の存在（絶対閾値^[15]）または2つの刺激の差異（差異閾値^[7]）をちょうど検出できる強度の点である。この閾値を下回る強度の刺激は検出できず、サブリミナルとみなされる。閾値に近い値の刺激は場合によっては検出できることがある。したがって、閾値は、刺激または刺激の変化が試行の特定の割合pで検出される点として定義される。

絶対閾値とは、被験者が一定の割合で刺激の存在を検出できる強度のレベルであり、一般的には50%のpレベルが使用されます。^[16]たとえば、手の甲の触覚の絶対閾値を考えてみましょう。被験者は1本の毛に触れたとは感じないかもしれませんが、2本または3本の毛に触れたことは閾値を超えているため、それを検出する可能性があります。絶対閾値は検出閾値とも呼ばれます。絶対閾値の測定には、弁別閾値に使用されるものと同様のさまざまな方法が採用されています（以下を参照）。

差異閾値（または丁度知覚可能な差異、JND）は、被験者が一定の割合の時間で検出できる、異なる強度の 2 つの刺激間の最小の差異の大きさであり、具体的な割合はタスクによって異なります。この閾値をテストするためにいくつかの方法が採用されています。たとえば、被験者は、1 つの刺激を別の刺激と同一であると認識されるまで調整するように求められたり（調整法）、2 つの刺激間の差異の方向と大きさを説明したり、1 組の刺激の強度が同じか異なるかを判断したり（強制選択）されます。丁度知覚可能な差異は固定量ではなく、刺激の強度とテストされる特定の感覚によって異なります。^[17]ウェーバーの法則によると、あらゆる刺激の丁度知覚可能な差異は、強度の変化に関係なく、一定の割合です。^[18]

弁別実験では、実験者は、2 つの刺激 (2 つの重量または 2 つの音など) の違いがどの時点で検出可能になるかを判断しようとします。被験者には、たとえば重量などの 1 つの刺激が提示され、もう 1 つの重量の方が重いか軽いかを答えるように求められます。一部の実験では、被験者は 2 つの重量が同じであると示すこともあります。主観的等価 (PSE) の時点で、被験者は両方の重量を同一であると認識します。ちょうど知覚できる差異、または差異閾値 (DL) は、被験者がpの割合で時間内に気づく刺激の差異の大きさです。通常、比較タスクではp^{に 50% が使用されます。 [19]}さらに、2 つの選択肢を弁別する際にパフォーマンスが偶然に低下するポイントを評価するために、2 択一強制選択(2AFC) パラダイムが使用されます。ここで、 pは通常 75% です。これは、2AFC タスクでは 50% の成功率が偶然に対応するためです。

絶対閾値と差異閾値は、背景ノイズが常に刺激を検出する能力を妨げるため、原理的には類似していると考えられることがある。^{[6] [20]}

心理物理学では、被験者が刺激を検出できるか、それを識別できるか、他の刺激と区別できるか、あるいはその違いの大きさや性質を説明できるかを判断するために実験が行われます。^{[6] [7]}心理物理学実験のためのソフトウェアについては、ストラスバーガーが概説しています。^[21]

心理物理学的実験では、伝統的に、刺激検出と差異検出実験における被験者の知覚をテストするために、限界法、一定刺激法、調整法の3つの方法が使用されてきた。^[22]

限界上昇法では、刺激の何らかの特性は、刺激が検知できないほど低いレベルから始まり、その後、被験者が刺激に気付いたと報告するまで、このレベルは徐々に増加します。たとえば、実験が検知できる音の最小振幅をテストしている場合、音は知覚できないほど小さいレベルから始まり、徐々に大きくなります。限界下降法では、これが逆になります。いずれの場合も、閾値は、刺激がちょうど検知される刺激特性のレベルであると考えられます。^[22]

実験では、上昇法と下降法を交互に使用し、閾値を平均化します。これらの方法の欠点として考えられるのは、被験者が刺激を知覚したことを報告することに慣れてしまい、閾値を超えても同じ報告を続ける可能性があることです (慣れのエラー)。逆に、被験者は刺激が検出可能または検出不可能になることを予期し、早まった判断を下す可能性もあります (予期のエラー)。

これらの潜在的な落とし穴を避けるために、ゲオルク・フォン・ベケシーは1960年に聴覚知覚の研究で階段法を導入した。この方法では、音は最初は聞こえるが、被験者の反応ごとに徐々に小さくなっていき、被験者が聞こえないと報告するまで続く。その時点で、音は段階的に大きくなり、被験者が聞こえたと報告するまで続き、その時点で再び段階的に小さくなる。この方法で、実験者は閾値を「正確に」特定することができる。^[22]

定常刺激法では、刺激の特定の特性のレベルは、昇順または降順で提示されるのではなく、試行ごとに関連付けられず、ランダムに提示されます。これにより、被験者が次の刺激のレベルを予測することができなくなり、慣れや期待のエラーが減少します。「絶対閾値」の場合も、被験者は刺激を検出できるかどうかを報告します。^[22]「差異閾値」の場合、さまざまなレベルごとに一定の比較刺激が必要です。フリードリヒ・ヘーゲルマイヤーは、1852年の論文で定常刺激法について説明しています。^{[23]この方法では}、心理測定機能 の完全なサンプリングが可能ですが、いくつかの条件が交互に行われる場合は試行回数が多くなる可能性があります。

調整法では、被験者は刺激のレベルを制御し、背景雑音に対してかろうじて検出できるレベル、または別の刺激のレベルと同じになるまで刺激を変えるように求められます。調整は何度も繰り返されます。これは平均誤差法とも呼ばれます。^[22] この方法では、観察者自身が可変刺激の大きさを制御し、標準刺激よりも明らかに大きいか小さいレベルから始めて、2つの刺激が主観的に等しいと満足するまで刺激を変化させます。可変刺激と標準刺激の差は調整ごとに記録され、かなりの数のシリーズについて誤差が表にまとめられます。最後に平均が計算され、感度の尺度として使用できる平均誤差が得られます。

古典的な実験方法は非効率的であるとよく言われます。これは、テストの前に心理測定閾値が通常不明であり、ほとんどのデータが心理測定関数上の関心のあるパラメータ、通常は閾値に関する情報をほとんど提供しない点で収集されるためです。適応階段手順 (または古典的な調整方法) を使用すると、サンプリングされたポイントが心理測定閾値の周囲に集まるようになります。心理測定関数の傾きも関心がある場合は、データ ポイントを少し広い範囲に分散させることもできます。したがって、適応方法は閾値のみ、または閾値と傾きの両方を推定するために最適化できます。適応方法は、階段手順 (以下を参照) とベイズ法、または最大尤度法に分類されます。階段方法は、以前の応答のみに依存し、実装が簡単です。ベイズ法は、以前の刺激と応答のペアのセット全体を考慮に入れ、一般的に注意の喪失に対してより堅牢です。^[24]実用的な例については、ここを参照してください。^[21]

階段は通常、検出しやすい高強度の刺激で始まります。その後、強度は低下し、観察者がミスをすると階段は「反転」し、強度は観察者が正しく反応するまで増加し、別の反転を引き起こします。これらの「反転」の最後の値が平均化されます。階段手順にはさまざまな種類があり、さまざまな決定ルールと終了ルールが使用されます。ステップサイズ、上下ルール、および基礎となる心理測定関数の広がりによって、心理測定関数のどこに収束するかが決まります。^[24]階段から得られる閾値は大きく変動する可能性があるため、設計には注意が必要です。さまざまな階段アルゴリズムがモデル化されており、ガルシア・ペレスによって実用的な推奨事項がいくつか提案されています。^[25]

より一般的な階段設計 (固定ステップ サイズ) の 1 つは、1 上 N 下階段です。参加者が N 回連続して正しい応答をすると、刺激の強度が 1 ステップ サイズだけ減少します。参加者が間違った応答をすると、刺激の強度が 1 サイズだけ増加します。しきい値は、すべての実行の平均中間点から推定されます。この推定値は、漸近的に正しいしきい値に近づきます。

ベイズ法と最大尤度 (ML) 適応型手順は、観察者の観点からは階段手順と同様に動作します。ただし、次の強度レベルの選択は異なります。各観察者の応答の後、この刺激/応答ペアと以前のすべての刺激/応答ペアのセットから、しきい値がどこにあるかの尤度が計算されます。次に、最大尤度のポイントがしきい値の最良の推定値として選択され、次の刺激がそのレベルで提示されます (そのレベルでの決定により、最も多くの情報が追加されるため)。ベイズ法では、事前尤度が計算にさらに含められます。^[24]階段手順と比較すると、ベイズ法と ML 手順は実装に時間がかかりますが、より堅牢であると考えられています。この種のよく知られた手順には、Quest、^[26] ML-PEST、^[27]および Kontsevich & Tyler の方法があります。^[28]

典型的なケースでは、人々は刺激の大きさに比例して数字を割り当てるように求められます。数字の幾何平均の心理測定関数は、多くの場合、安定した、再現可能な指数を持つべき乗法則です。状況によって法則と指数が変わることもありますが、その変化も安定しており、再現可能です。数字の代わりに、他の感覚的または認知的次元を使用して刺激を一致させることができ、その方法は「大きさの生成」または「クロスモダリティのマッチング」になります。数値の大きさの推定で見つかったこれらの次元の指数は、大きさの生成で見つかった指数を予測します。大きさの推定では、通常、心理物理学的関数の指数は、複数カテゴリの応答よりも低くなります。これは、リッカートが態度尺度の項目として使用するようなカテゴリアンカーの範囲が制限されているためです。^[29]

• Steingrimsson, R.; Luce, RD (2006). 「グローバル心理物理学的判断のモデルの経験的評価: III. 心理物理学的機能と強度フィルタリングの形式」。Journal of Mathematical Psychology . 50 : 15–29. doi :10.1016/j.jmp.2005.11.005.
• キングダム、フレデリック AA; プリンス、ニコラス (2016)。心理物理学 - 実践入門 (第 2 版)。エルゼビア。ISBN 9780124071568. 2023年8月1日閲覧。

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• 階段法（変形上下スターリケース法）に関するアニメーション付きの論文プロジェクトに関するドイツのウェブサイトへのリンク