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精神物理学は、物理的刺激と、それによって生じる感覚や知覚との関係を定量的に研究する心理学の分野です。精神物理学は、「刺激と感覚の関係を科学的に研究すること」[ 1 ]、あるいはより完全には、「1つまたは複数の物理的次元に沿って刺激の特性を体系的に変化させることによって、被験者の経験や行動に及ぼす影響を研究することによって知覚プロセスを分析すること」[ 2 ]と説明されています。
精神物理学は、知覚システムを研究するために適用できる一般的な方法のクラスも指します。現代の応用は、閾値測定[ 3 ] 、理想観測者分析、および信号検出理論[ 4 ]に大きく依存しています。
精神物理学は、幅広く重要な実用的応用分野を持っています。例えば、デジタル信号処理の分野では、精神物理学からの知見が、非可逆圧縮のためのモデルや手法の開発を導いてきました。これらのモデルは、音声信号や映像信号が非可逆圧縮技術を用いて圧縮された際に、人間が信号品質の劣化をほとんど感じない理由を説明するのに役立ちます。
精神物理学の古典的な技法や理論の多くは、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『精神物理学の要素』を出版した際に定式化されました。[ 5 ]彼は「精神物理学」という用語を作り出し、物理的な刺激を感覚（Empfindungen）などの意識の内容と関連付けることを目的とした研究を説明しました。物理学者であり哲学者でもあったフェヒナーは、物質と心を関連付け、公に観察可能な世界と、それに対する個人の私的な印象を結びつける方法を開発することを目指しました。彼の考えは、 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覚に関する実験結果に触発されたものであった[ 6 ] [ 7 ]。特に注目すべきは、中程度の強さの刺激の強度の最小識別差（最小可弁差またはJND）に関するもので、ウェーバーはこれが基準強度の一定の割合であることを示し、フェヒナーはこれをウェーバーの法則と呼んだ。このことから、フェヒナーは、現在フェヒナー尺度として知られる有名な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一つを形成し、ヴィルヘルム・ヴントはライプツィヒに最初の心理学研究室（実験心理学研究所）を設立した。フェヒナーの研究は、内観主義的アプローチ（意識の科学としての心理学）を体系化したものであり、言語的反応さえも刺激と同様に身体的なものとみなす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・パースによって研究され、拡張されました。パースは、後に自身も著名な実験心理学者となるジョセフ・ジャストロウの協力を得ました。パースとジャストロウは、フェヒナーの経験的発見を概ね確認しましたが、すべてではありませんでした。特に、パースとジャストロウの古典的な実験では、フェヒナーの重さの知覚の閾値の推定が否定されました。この実験で、パースとジャストロウは実際にはランダム化実験を考案しました。彼らは、重さを識別する能力を評価するために、ボランティアを盲検化された反復測定デザインにランダムに割り当てました。 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] 彼らは、その結果に基づいて、基礎となる関数は連続的であり、物理的な大きさの違いが検出されない閾値は存在しないと主張しました。パースの実験は心理学や教育学の他の研究者に影響を与え、1900年代には実験室でのランダム化実験や専門的な教科書の研究伝統が発展した。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
パース＝ジャストロウ実験は、パ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応用する取り組みの一環として実施された。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要約している。「パース氏の論理学の講義は、私に初めて真の知的な力を発揮する機会を与えてくれた。スタンレー・ホールによって心理学の実験室が設立されるとすぐにそこへ行ったが、心理学の問題を扱う最初の訓練を私に与えてくれたのはパース氏であり、同時に、当時実験室での習慣に全く無知だった私に本格的な研究を任せてくれたことで、私の自尊心を刺激してくれた。彼は私のために装置を借りてきて、私はそれを自分の部屋に持ち込み、窓際に設置し、照明条件が適切なときにそれを使って観察を行った。その結果は、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。意識に記録されないほど微弱な感覚効果の痕跡が、それでも判断に影響を与える可能性があることを示したことは、数年後に私が『潜在意識』という本を執筆する動機とな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、触覚などの感覚知覚に関する現代的なアプローチでは、知覚者の判断が刺激から何を抽出するかを測定し、どのような感覚が経験されているかという問題はしばしば脇に置かれます。主要な方法の1つは、非常に弱い刺激の場合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、スタンリー・スミス・スティーブンス（1906年- 1973年）の伝統を受け継ぐ人々の間で依然として残っています。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提案されたべき乗法則の考え方を復活させました（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た数値を割り当てることを提唱し、これを大きさ推定と呼びました。スティーブンスは、大きさ生成や異種感覚マッチングなどの技術を追加しました。彼は、刺激の強さを強さの順にラベル付けした線上の点に割り当てることに反対しました。それにもかかわらず、そのような反応は応用精神物理学で依然として人気があります。このような複数カテゴリーのレイアウトは、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した質問項目（例えば、「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）にちなんで、しばしば誤ってリッカート尺度と呼ばれています。
オマル・ハリファ[ 13 ]は、中世の科学者アルハゼンを精神物理学の創始者とみなすべきだと主張している。アル・ハイサムは視覚に関する主観的な報告を数多く残しているが、定量的な精神物理学的技術を用い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 ] 。
精神物理学者は通常、強度の異なる純音や輝度の異なる光など、客観的に測定可能な刺激を用いる。視覚、聴覚、触覚（皮膚感覚と腸管感覚を含む）、味覚、嗅覚、時間感覚といった、すべての典型的な感覚が研究されてきた。感覚領域に関わらず、研究の主な分野は、絶対閾値、弁別閾値（例えば、最小可弁差）、スケーリングの3つである。
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（差閾値[ 7 ]）をかろうじて検出できる強度の点です。この閾値以下の強度の刺激は検出できず、サブリミナル刺激とみなされます。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ります。したがって、閾値は、刺激または刺激の変化が一定の割合pの試行で検出される点として定義されます。
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レベルのことです。一般的には、pレベル 50% が使用されます。 [ 16 ]例えば、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 本の毛が触れられても感じないかもしれませんが、2 本または 3 本の毛が触れると閾値を超えるため、それを検出できるかもしれません。絶対閾値は、検出閾値とも呼ばれます。絶対閾値を測定するために、弁別閾値に使用される方法と同様に、さまざまな方法が用いられます (下記参照)。
弁別閾値（または最小可弁差、JND）とは、被験者が一定の割合で検出できる、強度の異なる 2 つの刺激間の最小差の大きさであり、その具体的な割合は課題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用いられます。たとえば、被験者に、一方の刺激がもう一方の刺激と同一であると知覚されるまで調整するように求める（調整法）、2 つの刺激間の差の方向と大きさを説明するように求める、または一対の刺激の強度が同じか異なるかを判断するように求める（強制選択法）などです。最小可弁差は固定値ではなく、刺激の強度とテストされる特定の感覚によって変化します。[ 17 ]ウェーバーの法則によれば、強度の変化に関係なく、任意の刺激の最小可弁差は一定の割合です。[ 18 ]
弁別実験では、実験者は、2 つの重りや 2 つの音などの 2 つの刺激間の違いがどの時点で検出可能になるかを調べます。被験者には、たとえば重りなどの 1 つの刺激が提示され、別の重り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 つの重りが同じであると答えることもあります。主観的等価点 (PSE) では、被験者は両方の重りを同じであると認識します。弁別可能差、または弁別限界 (DL) は、被験者が時間のpの割合で気づく刺激の差の大きさです。通常、比較課題ではpに 50% が使用されます。 [ 19 ]被験者が特定の反応を好むことによるバイアス効果を減らすために、研究者はしばしば2 択強制選択(2AFC) パラダイムを使用します。重さを識別する場合、同時に提示される2つの刺激のうち、どちらが重いかをランダムに変化させ、参加者にどちらが重いと思うかを選択させることで、これを実現できる。
絶対閾値と差分閾値は、背景雑音が常に刺激の検出能力を妨げるため、原理的には類似していると考えられることがある。[ 6 ] [ 20 ]
精神物理学では、被験者が刺激を検出できるか、それを識別できるか、刺激と他の刺激を区別できるか、あるいはこの違いの大きさや性質を説明できるかを実験で判断します。[ 6 ] [ 7 ]精神物理学実験用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 ]
心理物理学実験では、刺激検出実験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、従来、限界法、定常刺激法、調整法の3つの方法が用いられてきた。[ 22 ]
限界上昇法では、刺激の何らかの特性が、刺激が検出できないほど低いレベルから始まり、被験者がそれを認識したと報告するまで、このレベルが徐々に増加されます。たとえば、検出可能な音の最小振幅をテストする実験では、音は知覚できないほど小さく始まり、徐々に大きくされます。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、刺激がちょうど検出される刺激特性のレベルであると考えられます。[ 22 ]
In experiments, the ascending and descending methods are used alternately and the thresholds are averaged. A possible disadvantage of these methods is that the subject may become accustomed to reporting that they perceive a stimulus and may continue reporting the same way even beyond the threshold (the error of habituation). Conversely, the subject may also anticipate that the stimulus is about to become detectable or undetectable and may make a premature judgment (the error of anticipation).
To avoid these potential pitfalls, Georg von Békésy introduced the staircase procedure in 1960 in his study of auditory perception. In this method, the sound starts out audible and gets quieter after each of the subject's responses, until the subject does not report hearing it. At that point, the sound is made louder at each step, until the subject reports hearing it, at which point it is made quieter in steps again. This way the experimenter is able to "zero in" on the threshold.[22]
Instead of being presented in ascending or descending order, in the method of constant stimuli the levels of a certain property of the stimulus are not related from one trial to the next, but presented randomly. This prevents the subject from being able to predict the level of the next stimulus, and therefore reduces errors of habituation and expectation. For 'absolute thresholds' again the subject reports whether they are able to detect the stimulus.[22] For 'difference thresholds' there has to be a constant comparison stimulus with each of the varied levels. Friedrich Hegelmaier described the method of constant stimuli in an 1852 paper.[23] This method allows for full sampling of the psychometric function, but can result in a lot of trials when several conditions are interleaved.
In the method of adjustment, the subject is asked to control the level of the stimulus and to alter it until it is just barely detectable against the background noise, or is the same as the level of another stimulus. The adjustment is repeated many times. This is also called the method of average error.[22] In this method, the observers themselves control the magnitude of the variable stimulus, beginning with a level that is distinctly greater or lesser than a standard one and vary it until they are satisfied by the subjective equality of the two. The difference between the variable stimuli and the standard one is recorded after each adjustment, and the error is tabulated for a considerable series. At the end, the mean is calculated giving the average error which can be taken as a measure of sensitivity.
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、関心のあるパラメータ（通常は閾値）に関する情報がほとんど得られない心理測定関数上の点で収集されるためです。適応階段法（または古典的な調整法）を使用すると、サンプリングされた点が心理測定閾値の周りに集中します。心理測定関数の傾きにも関心がある場合は、データ点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、適応法は、閾値のみ、または閾値と傾きの両方を推定するように最適化できます。適応法は、階段法（下記参照）とベイズ法（最尤法）に分類されます。階段法は以前の反応のみに依存し、実装が容易です。ベイズ法は、以前の刺激と反応のペアのすべてを考慮に入れ、一般的に注意力の低下に対してより頑健です。[ 24 ]実例はここにあります。[ 21 ]
階段法は通常、検出しやすい高強度の刺激から始まります。その後、観察者が間違いを犯すまで強度を下げ、その時点で階段法は「反転」し、観察者が正しく反応して別の反転を引き起こすまで強度を上げます。これらの「反転」の最後の値は平均化されます。さまざまな決定ルールと終了ルールを使用するさまざまなタイプの階段法があります。ステップサイズ、アップ/ダウンルール、および基礎となる心理測定関数の広がりによって、心理測定関数上の収束点が決まります。[ 24 ]階段法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。さまざまな階段法アルゴリズムがモデル化されており、ガルシア・ペレスによっていくつかの実用的な推奨事項が提案されています。[ 25 ]
階段式課題でよく用いられる手法の一つに、1段階上昇・N段階下降型のものがあります。参加者がN回連続で正解した場合、刺激強度は1段階ずつ減少します。逆に、不正解の場合は刺激強度が1段階ずつ増加します。閾値は、全試行の平均中間値から推定されます。この推定値は、漸近的に正しい閾値に近づきます。
ベイズ法と最尤法（ML）適応法は、観察者の視点から見ると、階段法と似たような動作をします。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、この刺激とそれ以前のすべての刺激/応答ペアのセットから、閾値がどこにあるかの尤度が計算されます。次に、最尤点が閾値の最良推定値として選択され、次の刺激はそのレベルで提示されます（そのレベルでの決定が最も多くの情報を追加するため）。ベイズ法では、事前尤度がさらに計算に含まれます。[ 24 ]階段法と比較すると、ベイズ法とML法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 ]、Kontsevich & Tylerの方法[ 28 ]などがあります。
典型的なケースでは、人々は刺激の大きさに比例した数値を割り当てるように求められます。彼らの数値の幾何平均のこの心理測定関数は、多くの場合、安定した再現可能な指数を持つべき乗則です。文脈によって法則と指数が変わることがありますが、その変化も安定していて再現可能です。数値の代わりに、他の感覚的または認知的次元を使用して刺激に合わせることもでき、その方法は「大きさの生成」または「異種感覚マッチング」になります。数値の大きさ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。大きさ推定では、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、一般的に、多カテゴリ応答よりも心理物理学的関数の指数が低くなります。[ 29 ]