空間認知

認知心理学において、空間認知とは、空間環境に関する知識の獲得、組織化、利用、および修正を指します。これは、空間そのものよりも、人間を含む動物が空間内でどのように行動し、その空間に関してどのような知識を構築したかに主眼を置いています。これらの能力によって、個人は日常生活における基本的な認知課題や高度な認知課題をこなすことができます。認知心理学、神経科学、人工知能、地理情報科学、地図作成など、多くの分野が連携して、特に人間をはじめとする様々な種における空間認知の理解に取り組んでいます。このように、空間認知の研究は、認知心理学と神経科学を結びつける役割も果たしてきました。両分野の科学者は協力して、空間認知が脳内でどのような役割を果たしているか、また、その周囲の神経生物学的基盤を解明しようとしています。

人間において、空間認知は、人々が自分の環境についてどのように話すか、新しい環境でどのように道を見つけるか、どのように経路を計画するかと密接に関係しています。そのため、被験者が行動できるようにするための認知参照枠を決定するために、参加者の報告、パフォーマンス測定などに基づく研究が数多く行われています。このような状況において、仮想現実の実装は、参加者を高度に制御された方法で未知の環境に直面させる機会を提供するため、研究者の間でますます普及しています。^{[ 1 ]}

空間認知は心理学的観点から見ることができ、その空間内での人々の行動が鍵となります。人々が空間内で行動するとき、空間認知の最も進化した形態である認知地図を使用します。認知地図を使用する際、ランドマークとランドマーク間の経路に関する情報が保存され、使用されます。^{[ 2 ]}この知識は、さまざまな情報源から構築できます。緊密に調整された視覚と移動（動き）だけでなく、地図記号、言語による説明、コンピュータベースのポインティングシステムからも構築できます。モンテロによれば、空間は暗黙のうちに人の身体とそれに関連する行動を指しています。彼はさまざまな種類の空間について言及しています。身体よりも小さい空間である図形空間、人間の身体よりも広い空間である展望空間、移動によって学習される環境空間、そして地図表現によってのみ学習できる最大の空間である地理空間です。

空間は人間の脳で表現されますが、これも歪みにつながる可能性があります。空間と距離を知覚する際に、歪みが生じることがあります。距離は、特定の場所と認知的に顕著な場所（つまり、目立つ場所）との間の距離として考慮されるかどうかによって、異なって知覚されます。知覚される場所と距離はそれぞれ異なる「基準点」を持つことができ、それは他の場所よりもよく知られており、より頻繁に訪れ、より目立つものです。 ^{[ 3 ]}他にも歪みの種類があります。さらに、距離推定の歪みと角度のアライメントの歪みがあります。角度のアライメントの歪みとは、個人の北が「北」として認識されることを意味します。地図は、学習の個人的視点の向きに従って精神的に表現されます。知覚される歪みは「主観的」であり、「客観的な距離」と必ずしも相関しないため、この現象でも歪みが生じる可能性があります。都心部のルート、曲がり角のあるルート、曲線ルート、境界線や障害物では、過大評価が生じる可能性があります。

1975年にシーゲルとホワイトによって提案された空間知識の獲得に関する古典的なアプローチでは、ランドマーク、経路知識、測量知識の3種類の空間知識を定義し、これら3つを空間知識の連続的な発展におけるステップストーンとして描いています。^{[ 4 ]}

この枠組みにおいて、ランドマークは行為者の環境における目立つ物体として理解でき、最初は距離関係に関する情報なしに記憶されます。ランドマーク間を移動することで経路知識が発達し、これはランドマークを結ぶ空間に関する連続的な情報と見なすことができます。最終的に、環境への慣れが増すことで、いわゆる測量知識が発達します。これはランドマークと経路の両方を統合し、固定座標系、つまり距離関係や方位などの絶対的なカテゴリとの整合性という観点から関連付けます。その結果、例えばこれまで通ったことのない近道を通るといった能力が生まれます。

最近では、空間知識の獲得に関するこの階段状のモデルに異議を唱える新たな研究結果が出ている。環境への慣れは確かにナビゲーション能力の重要な予測因子であるように思われるが、^{[ 5 ] [ 6 ]}多くの場合、新しい環境を最小限に探索し​​た後でも概観的な知識を確立することができる。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

この文脈において、ダニエル・R・モンテロは、経験の増加に伴って生じる空間知識の変化は質的というより量的であり、つまり、さまざまな種類の空間知識がより正確で自信に満ちたものになるという新しい枠組みを提案した。^{[ 10 ]}さらに、これらの異なるタイプの使用は主にタスクに依存しているようで、^{[ 5 ] [ 6 ]}日常生活における空間ナビゲーションには、ランドマーク、ルート、および全体的な調査知識に重点を置いた複数の戦略が必要であるという結論に至る。

空間はモンテッロが提唱したように、その広がりに応じて分類することができ、図像空間、視覚空間、環境空間、地理空間に分けられます。図像空間は、最も限定された最初の空間であり、人の身体が動かずにカバーする領域を指し、容易に手が届く物体も含まれます。視覚空間は、身体の外側にあるが、動かずに完全に視覚化できるほど近い空間を指す2番目のサブスペースであり、例えば部屋などがこれにあたります。環境空間は、その大きさから身体を「包含」すると言われる3番目のサブスペースであり、都市のようにすべての物体や空間が直接見えるわけではないため、動きを通してのみ完全に探索することができます。^{[ 11 ]}環境空間は、人間が環境を理解するために空間全体を移動することを最もよく可能にするため、ナビゲーションにとって最も重要なサブスペースです。^{[ 12 ]}地理空間は、非常に大きいため動きだけでは探索できず、地図上に大陸全体を示すことができる地図表現を通してのみ完全に理解できるため、最後のレベルです。^{[ 11 ]}

空間的知識を構築するために、人々は参照点に基づいて環境を計算する認知的現実を構築します。この環境の枠組みは参照フレームです。^{[ 13 ]}

通常、自己中心（ラテン語のego：「私」）と他者中心（古代ギリシャ語のallos： 「別の、外部の」）の参照フレームが区別されます。自己中心参照フレームとは、環境の中に自分を置いて一人称で見ることで、物体の位置は自分に対して相対的に理解されることを意味します。^{[ 13 ]}自己中心参照フレームは身体を中心にしています。一方、他者中心参照フレームは、周囲の他の物体やランドマークに基づいて物体の位置を指します。他者中心参照フレームは、自分ではなく、周囲の世界を中心にしています。しかし、3つ目の区別として、地心参照フレームというものもあります。^{[ 14 ] [ 15 ]}地心参照フレームは、観察者の位置とは無関係に位置を符号化できるという点で、他者中心参照フレームと似ています。これは、目立つランドマークを参照するのではなく、広範囲に分布する軸に対して空間を符号化することで実現されます。地球中心座標系は、一般的に経度と緯度によって座標が表されます。異方性座標系と地球中心座標系の違いは、異方性座標系はより小規模な環境で使用されるのに対し、地球中心座標系は地球のような大規模な環境で使用される点です。

空間情報はこれらの異なるフレームに保存できますが、それらは幼少期の初期段階ですでに一緒に発達しているようで^{[ 16 ]}、日常生活の課題を解決するために必然的に組み合わせて使用​​されているようです。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

基準座標系は、空間内を移動する際にも使用できます。ここでは、情報が記憶の仕方に影響を与えるように符号化されています。この基準座標系は、観察者がその空間に含まれる物体について他の人とコミュニケーションを取る必要がある場合に使用されます。

空間を移動する際、観察者は経路視点または概観視点のいずれかを取ることができます。経路視点とは、観察者が自身の身体と位置を基準に移動する視点であり、概観視点とは、空間を移動するために環境を鳥瞰する視点です。経路視点の使用は、脳の活性化において概観視点に影響を与えず、その逆も同様です。視点は純粋に経路視点または概観視点である場合もありますが、多くの場合、ナビゲーションではこの2つの組み合わせが使用されます。人々は、多くの場合、気づかないうちに、この2つをシームレスに切り替えることができます。^{[ 20 ]}

能動的なナビゲーションは経路知識の確立に大きな影響を与えるようであるが、^{[ 19 ] [ 21 ] [ 22 ]}地図の使用はより大規模で複雑な環境に関する調査知識をよりよくサポートするようである。^{[ 19 ] [ 22 ] [ 23 ]}

空間の感じ方や空間認知能力にも個人差があります。個人差を見ると、ほとんどの人は空間を表現するための戦略を使い分け、特定の参照フレームを好むようです。ルートビュー（ルート戦略とも呼ばれる）を好む人もいれば、サーベイビュー（サーベイ戦略またはオリエンテーション戦略とも呼ばれる）を好む人もいます。^{[ 24 ]}ルート視点を好む人は、自己中心的な参照フレームで空間を記述する傾向があります。サーベイ視点を好む人は、他者中心的な参照フレームをより頻繁に使用する傾向があります。後者は、地図からルートを学習する必要があるナビゲーションタスクでより良いパフォーマンスを発揮することが観察されています。これらの個人差は、アンケートで自己申告されています。^{[ 25 ]}

しかし、視点の選択は環境の特性にも影響されます。^{[ 26 ]}環境に単一の経路がある場合、人々は通常、経路視点を採用します。しかし、環境が開放的でランドマークで満たされている場合、人々は調査視点を選択する傾向があります。

この文脈において、空間情報が符号化される枠組みである、さまざまな参照フレームについての議論が持ち上がった。一般的に、それらは自己中心（ラテン語のego：「私」）参照フレームと他者中心（古代ギリシャ語のallos：「別の、外部の」）参照フレームの2つに分類できる。

自己中心的な参照フレーム内では、空間情報はナビゲーターの身体との関係で符号化されるのに対し、他者中心的な参照フレームは、オブジェクト間の関係を定義します。これは「観察者」の身体とは独立しており、したがって、計量条件や方位などの一般的な配置を考慮した、より絶対的な方法です。^{[ 27 ]}このことから、直接ナビゲーションによってサポートされるルート知識は自己中心的な参照フレーム内で符号化される可能性が高く^{[ 4 ] [ 28 ]}、地図学習によってサポートされる調査知識は、逆に他者中心的な参照フレーム内で符号化される可能性が高いことが示唆されます。^{[ 4 ] [ 23 ]}さらに、自己中心的な視点と他者中心的な視点の相互作用も可能です。この組み合わせは、空間環境を想像するときによく使用され、環境のより豊かな表現を生み出します。ただし、まだ発見されていない視点の場合、この手法を使用することはより困難です。^{[ 29 ]}

心理学の他のトピックにもバイアスが存在するように、空間認知の概念にもバイアスが存在する。人々は、地理地図などの環境の空間表現から情報を利用したり保持しようとしたりする際に、体系的なエラーを犯す。^{[ 30 ]}これは、地図の心的表現とそれが反映する知識が体系的に歪んでいることを示している。歪みは、距離や角度を推定するように求められたときに、認知地図に現れる反復的なエラー（バイアス）である。生物の自然な空間知覚が損なわれると、空間歪みが生じる。これは、さまざまな感覚様式で実験的に作り出すことができる。さまざまな種類の歪みが存在する。

まず、人は距離を推定する際に間違いを犯しやすい傾向があります。地球の曲面上の実際の測定値と比較すると、地理的なランドマーク間の形状、サイズ、距離、または方向について誤解が生じます。これは、3D 面を完全な 2 次元で表示できないために起こるようです。人は、比較的小さな特徴 (都市など) の位置を歪めて、より大きな特徴 (州境など) の位置に合わせることで、認知マップを正規化する傾向があります。^{[ 31 ]}ルートの長さは過大評価される傾向があり、大きく曲がるルートは直線ルートよりも長く見積もられます。^{[ 32 ]}地理的または政治的に異なる実体にある 2 つの場所間の地理的関係を解釈する場合、人は大きな系統的エラーを犯します。^{[ 33 ]}物理的および感情的な境界の存在は、要素間の距離の推定におけるバイアスの一因となります。人は、異なる地域または国に属する 2 つの都市間の距離を過大評価する傾向があります。距離の歪みは、目立つランドマークの存在によっても引き起こされる可能性があります。環境の特徴の中には、認知的に同等ではないものがあります。より大きく、より古く、よりよく知られていたり、日常生活の活動においてより中心的な役割を果たしているものもあります。これらのランドマークは、あまり目立たない要素の基準要素として頻繁に使用されます。ある場所にある要素のうち一方がより目立つ場合、基準点と他の点との間の距離はより短く見積もられます。^{[ 34 ]}

第二に、整列に関しては歪みがあります。整列とは、直線状に並べることを意味します。^{[ 35 ]}オブジェクトが互いに整列している場合、これらのオブジェクト間の距離を推定したり、両方のオブジェクトの異なる自己中心的な視点を切り替えたりすることがはるかに容易になります。空間環境の心的表象を作成する必要がある場合、空間環境内のオブジェクトが互いに整列していないと、人ははるかに多くのエラーを起こす傾向があります。これは、異なるオブジェクトが別々に記憶されている場合に特に当てはまります。人がオブジェクトを見たとき、そのオブジェクトの配置がその人の自己中心的な北を向いている場合、空間認知のエラーは少なくなります。空間認知のパフォーマンスは、向きが北を向いているときに最も良く、ずれの角度とともに直線的に減少します。^{[ 36 ]}

最後に、ある物体が別の物体に対してどの角度で配置されているかは、空間認知における歪みに大きく影響します。2つの物体間の角度が90度を超えると、角度誤差が著しく増加します。この現象は、若年層、中年層、高齢者など、すべての年齢層で発生します。角度が不明で推定する必要がある場合、人は90度に近い角度を推測する傾向があります。さらに、角度誤差は、私たちが指し示す物体や場所（視野外）が自己中心空間から遠い場合にも増加します。馴染みやすさが重要な役割を果たします。馴染みのある場所への指し示す誤差は、馴染みのない場所への指し示す誤差よりも少なくなります。人々が空間記憶を使って角度を推測する必要がある場合、前方誤差は後方誤差よりも著しく小さく、反対方向を記憶することは、前方の移動方向を記憶することよりも難しいことを示唆しています。^{[ 37 ]}

環境を空間的に符号化するために多くの戦略が用いられており、それらはしばしば同じタスク内で一緒に用いられます。最近の研究で、König ら^{[ 38 ]}は、参加者にインタラクティブな地図から道路や家の位置を学習させることで、さらなる証拠を提供しました。参加者は、家や道路の位置を互いの関係と方位による絶対位置で示すことで、相対的および絶対的な両方の用語で知識を再現しました。一部の参加者には説明を作成するために 3 秒が与えられましたが、他の参加者には時間制限が与えられませんでした。彼らの結論は、相対的なタスクでは家の位置が最もよく記憶され、絶対的なタスクでは道路の位置が最もよく記憶され、認知推論に割り当てられる時間を増やすと、両方のパフォーマンスが向上することを示しています。

これらの研究結果は、家屋のように、能動的な探索中に感覚的に認識できる限定された物体は、相対的／二進数的な方法で符号化される可能性が高く、認知的推論のための時間によって、絶対的／単一的な符号化形式に変換されることを示唆している。これは、それらの絶対位置を方位や方位などに基づいて推論することである。一方、道路のようなより大きく抽象的な物体は、最初から絶対的な方法で符号化される可能性が高い。

これは混合戦略の見解を裏付けるものであり、この場合、異なる物体の空間情報は、同じタスク内でも異なる方法で符号化されることを示しています。さらに、家屋などの物体の向きや位置は、主に行動指向的な方法で学習されるようで、これは人間の認知における能動的枠組みとも一致しています。

同属の齧歯類2種を対象とした研究では、海馬の大きさの性差は、性別特有の空間認知パターンによって予測された。海馬の大きさは、実験用マウス系統の迷路パフォーマンスや、スズメ目の鳥類における空間記憶の選択圧と正の相関があることが知られている。多夫多妻のハタネズミ種（齧歯目：ハタネズミ属）では、オスはメスよりも野外で行動範囲が広く、実験室での空間能力の測定でより良い成績を示す。これらの違いは、一夫一妻のハタネズミ種には見られない。多夫多妻のメドウハタネズミ（M. pennsylvanicus）と一夫一妻のマツハタネズミ（M. pinetorum）の2種のハタネズミの自然集団から、メスとオスをそれぞれ10匹ずつ採取した。多夫多妻種においてのみ、オスはメスよりも脳全体に対する海馬の大きさが大きい。^{[ 39 ]}この研究は、空間認知が性別によって異なる可能性があることを示している。

ある研究では、雄のコウイカ（Sepia officinalis；頭足類​​軟体動物）が雌よりも広い範囲を移動するかどうか、またこの違いが方向定位能力の認知的二型性と関連しているかどうかを明らかにすることを目的とした。まず、両性の性的に未成熟および成熟したコウイカをオープンフィールドに置いたときの移動距離を評価した（テスト1）。次に、コウイカをT字型迷路で空間課題を解決するように訓練し、優先的に使用した空間戦略（右/左折または視覚的手がかり）を決定した（テスト2）。結果は、性的に成熟した雄はテスト1でより長い距離を移動し、テスト2では他の3つのグループと比較して方向定位に視覚的手がかりを使用する可能性が高いことを示した。^{[ 40 ]}

ナビゲーションとは、人間を含む動物が目的の目的地に到達するために経路を見つけ、追跡し、たどる能力のことである。^{[ 41 ] [ 42 ]}

ナビゲーションには、身体と環境のランドマークを基準枠として環境に関する情報を取得し、環境の精神的表象、すなわち認知地図を作成する必要がある。人間は、異なる空間間を移動し、自己中心的な基準枠と他者中心的な基準枠の両方を調整することによってナビゲーションを行う。

ナビゲーションには、移動と道探しという 2 つの主要な要素があります。^{[ 11 ]}移動とは、人間を含む動物が、ある場所から別の場所へ移動するプロセスです。移動は、空間を移動してその環境の心的表象を作り出すことで、環境を理解するのに役立ちます。^{[ 43 ]}道探しは、心的表象を通して、ある場所から別の場所への経路をたどったり決定したりする能動的なプロセスと定義されます。^{[ 44 ]}これには、障害物を回避したり、コースを維持したり、特定の物体に近づくときにペースを調整したりするのに役立つ、表象、計画、決定などのプロセスが含まれます。^{[ 11 ] [ 45 ]}

ナビゲーションとウェイファインディングは、環境空間でアプローチできます。ダン・モンテロの空間分類によると、空間には4つのレベルがあり、3番目が環境空間です。環境空間は、都市のような非常に大きな空間を表し、すべての物体と空間が直接見えるわけではないため、移動によってのみ完全に探索できます。^{[ 13 ]}また、バーバラ・トベルスキーも空間を体系化しましたが、今回は人間の身体とその拡張の軸に対応する3つの次元、つまり上/下、前/後ろ、左/右を考慮に入れました。トベルスキーは最終的に、身体の空間、身体の周囲の空間、ナビゲーションの空間、グラフィックスの空間という4つの分類でナビゲーション可能な空間を提案しました。^{[ 46 ]}

証拠によれば、小規模な空間能力と大規模な空間能力の間には関連性がある。より具体的には、視空間能力（小規模な能力）と、環境の精神的表象、つまり環境表象（大規模な能力）を作成する能力に関する道案内態度（大規模な空間的自己評価）の間には関係がある。^{[ 58 ]}

このセクションで提示される証拠は、相関研究の研究結果に焦点を当てます。連続レベルの変数間の相関研究は、小規模な視空間認知能力と大規模な能力がどの程度関連しているかを検証することを目的としています。^{[ 59 ] [ 60 ]}

• 空間認識能力
• 空間的文脈認識
• 空間記憶
• 方向感覚
• 空間マッピング

• 空間認知と計算（2011年8月3日アーカイブ、 Wayback Machine）
• http://www.spatial-cognition.de/
• 空間認知とは何か？ （2011年9月3日にWayback Machineにアーカイブ済み）
• 空間認知について解説した記事
• 空間知能学習センター（SILC）