パターン認識（心理学）

テンプレートマッチング理論は、人間のパターン認識の最も基本的なアプローチを説明するものです。この理論は、知覚されたすべてのオブジェクトが長期記憶に「テンプレート」として保存されると仮定しています。^{[ 4 ]}入力された情報は、これらのテンプレートと比較され、完全に一致するものが見つかります。^{[ 5 ]}言い換えれば、すべての感覚入力は、オブジェクトの複数の表現と比較され、単一の概念的理解を形成します。この理論は、知覚を根本的に認識に基づくプロセスとして定義しています。人が遭遇するすべてのものは、過去の経験を通じてのみ理解され、それが外部世界の将来の知覚に影響を与えると説明しています。^{[ 6 ]}例えば、A、A、Aはすべて文字Aとして認識されますが、Bは認識されません。この理論は、内部記憶テンプレートと比較せずに新しい経験がどのように理解されるかを説明するのに限界があります。

正確な1対1のテンプレートマッチング理論とは異なり、プロトタイプマッチングでは、入力された感覚入力を1つの平均的なプロトタイプと比較します。この理論では、一連の関連する刺激にさらされることで、それらの共通の特徴に基づいて「典型的な」プロトタイプが作成されると主張しています。^{[ 6 ]}テンプレートを標準化して単一の表現にすることで、保存されるテンプレートの数を減らします。^{[ 4 ]}プロトタイプは知覚の柔軟性をサポートします。テンプレートマッチングとは異なり、新しい刺激の認識にばらつきが生じるためです。たとえば、子供が芝生用の椅子を一度も見たことがなくても、4本の脚と座面があるという基本的な特徴を理解しているため、椅子として認識することができます。ただし、この考え方では、犬の種類など、必ずしも1つに「平均化」できない対象の概念化には限界があります。犬、オオカミ、キツネはどれも毛皮に覆われ、四足歩行で、中型の大きさで、耳と尻尾を持つ動物という共通点があるものの、すべてが同じというわけではなく、したがってプロトタイプマッチング理論に基づいて厳密に認識することはできない。

物体（および状況）の認識におけるテンプレートと特徴分析のアプローチは、多重弁別理論によって統合/調和/取って代わられました。この理論は、テスト刺激におけるテンプレートの各顕著な特徴の量は、テンプレートにおけるその特徴の量から普遍的な50%弁別単位（客観的パフォーマンス「JND」（Just Noticeable Difference） ^{[ 7 ] ）の距離にあると、あらゆる知覚判断において認識されると述べています。 [ 8 ]}

特徴検出理論と同様に、構成要素による認識（RBC）は、処理される刺激のボトムアップの特徴に焦点を当てています。アーヴィング・ビーダーマン（1987）によって最初に提唱されたこの理論は、人間は物体を基本的な3D幾何学的形状であるジオオン（円柱、立方体、円錐など）に分解することで認識すると述べています。例えば、コーヒーカップのような一般的なアイテムを分解すると、液体を入れる中空の円筒と、カップを持つための側面の湾曲した取っ手を認識します。すべてのコーヒーカップがまったく同じではありませんが、これらの基本的な構成要素は、例（またはパターン）間の一貫性を認識するのに役立ちます。RBCは、組み合わせることで事実上無限の数の物体を形成できる固有のジオオンは36未満であると示唆しています。物体を解析および分解するために、RBCは、人々がエッジと凹面という2つの特定の特徴に注意を払うことを提案しています。エッジにより、観察者は、視角や照明条件に関係なく、物体の一貫した表現を維持することができます。凹面とは、2つのエッジが交わる部分であり、観察者が一方のジオンの終わりと他方のジオンの始まりを認識することを可能にする。

視覚的物体認識におけるRBC原理は、聴覚的言語認識にも応用できる。言語研究者は、ジオオンの代わりに、話し言葉を音素と呼ばれる基本要素に分解できると提唱している。例えば、英語には44の音素がある。

ピアジェは、シェミンスカとともに、さまざまな長さの棒を使って子供のスキルをテストする実験で、順序付けの発達を研究しました。^{[ 15 ]}彼らは、スキルの発達には3つの明確な段階があることを発見しました。最初の段階では、4歳くらいの子供は最初の10本の棒を順番に並べることができませんでした。2～4本の小さなグループを作ることはできましたが、すべての要素を一緒に並べることはできませんでした。2番目の段階では、5～6歳の子供は試行錯誤の過程を経て、最初の10本の棒を使った順序付けの課題に成功しました。試行錯誤を通して、他の棒のセットを順番に挿入することができました。3番目の段階では、7～8歳の子供は試行錯誤をほとんどせずにすべての棒を順番に並べることができました。子供たちは、まず最も短い棒を探し、次に残りの棒の中で最も短い棒を探すという体系的な方法を使用しました。^{[ 15 ]}

問題解決能力の向上に役立つ順序付けのスキルを育成するために、子どもたちには、大きさの関係を扱う際に「大きい」や「もっと大きい」などの適切な言葉を使って物を順番に並べる機会を与えるべきです。また、質感、音、味、色に基づいて物を順番に並べる機会も与えるべきです。^{[ 14 ]}特定の順序付けの課題に加えて、子どもたちには遊びの中で使うさまざまな素材やおもちゃを比較する機会を与えるべきです。このような活動を通して、物の特性に対する真の理解が育まれます。幼い子どもたちを助けるために、物の違いは明白であるべきです。^{[ 14 ]}最後に、2つの異なる物のセットを並べ、2つの異なるセット間の関係を見るという、より複雑な課題も与えるべきです。その一般的な例としては、子どもたちに異なるサイズの鍋に鍋の蓋をはめたり、異なるサイズのナットとボルトをはめたりすることを試みさせることです。^{[ 14 ]}

子供たちの算数能力を高めるために、教師や保護者は、子供たちが順序付けやパターンを学ぶのを手助けすることができます。順序付けを理解している幼い子供たちは、数字を小さい順から大きい順に並べることができます。やがて、6 は 5 より大きいこと、20 は 10 より大きいことを理解するようになります。^{[ 16 ]}同様に、子供たちに ABAB パターンなどのパターンをコピーさせたり、独自のパターンを作成させたりすることは、子供たちが順序を認識し、掛け算などの後の算数能力を準備するのに役立つ優れた方法です。保育士は、子供たちにグループを作らせたり、物の総数を数えさせたりすることで、非常に幼い頃から子供たちにパターンに触れさせることができます。^{[ 16 ]}

科学者たちは、脳には顔の処理に特化した特定の領域があることに同意している。この構造は紡錘状回と呼ばれ、脳画像研究では、被験者が顔を見ているときにこの領域が非常に活発になることが示されている。^{[ 20 ]}

いくつかの症例研究では、この領域に病変や組織損傷がある患者は、自分の顔でさえ認識するのが非常に困難であると報告されています。これらの研究のほとんどは状況証拠に基づくものですが、スタンフォード大学の研究は、紡錘状回が顔認識において果たす役割について決定的な証拠を提供しました。このユニークな症例研究では、研究者は患者の紡錘状回に直接信号を送ることができました。患者は、この電気刺激の間、目の前で医師や看護師の顔が変化し、変形したと報告しました。研究者たちは、これはこの神経構造と人間の顔認識能力との間に説得力のある因果関係があることを示していると同意しています。^{[ 20 ]}

成人では顔認識は速く自動的であるが、子供は思春期になるまで（実験室での課題において）成人レベルのパフォーマンスに達しない。^{[ 21 ]}顔認識が通常どのように発達するかを説明するために、2 つの一般的な理論が提唱されている。最初の一般的な認知発達理論では、顔を符号化する知覚能力は幼少期に完全に発達し、成人期への顔認識の継続的な改善は他の一般的な要因によるものとしている。これらの一般的な要因には、注意の焦点の改善、意図的なタスク戦略、およびメタ認知が含まれる。研究は、これらの他の一般的な要因が成人期に劇的に改善するという主張を支持している。^{[ 21 ]}顔特異的知覚発達理論では、子供と成人の間の顔認識の改善は、顔知覚の正確な発達によるものだと主張している。この継続的な発達の原因は、顔との継続的な経験であると提案されている。

発達上の問題のいくつかは、顔認識能力の低下として現れます。紡錘状回の役割に関する既知の情報に基づいて、自閉症スペクトラムに沿った社会的発達の障害は、これらの人々が顔から目をそらす傾向があるという行動マーカーと、紡錘状回の神経活動の低下を特徴とする神経学的マーカーを伴うことが研究で示されています。同様に、発達性相貌失認（DP）の人々は、自分の顔さえ識別できないほど顔認識に苦労します。多くの研究は、世界人口の約2％が発達性相貌失認であり、DPの人々は家族歴にその特性があることを報告しています。^{[ 18 ]} DPの人々は、紡錘状回に物理的な損傷や病変がある人々と行動的に区別がつかず、ここでも顔認識におけるその重要性が示唆されます。DPや神経学的損傷があるにもかかわらず、全人口における顔認識能力には大きなばらつきがあります。^{[ 18 ]}顔認識能力の差の原因が生物学的要因なのか環境的要因なのかは不明である。一卵性双生児と二卵性双生児を分析した最近の研究では、顔認識能力は一卵性双生児の方が有意に高い相関を示しており、顔認識能力の個人差には強い遺伝的要素があることが示唆されている。^{[ 18 ]}

Frost らによる 2013 年の研究では、乳児の言語習得は認知パターン認識と関連していることが明らかになっています。^{[ 22 ]}言語発達に関する古典的な生得主義や行動主義の理論とは異なり、^{[ 23 ]}科学者たちは現在、言語は学習されたスキルであると考えています。^{[ 22 ]}ヘブライ大学とシドニー大学の研究では、視覚パターンを識別する能力と新しい言語を学ぶ能力の間に強い相関関係があることが示されています。^{[ 22 ] [ 24 ]}形状認識能力の高い子供は、知能や記憶容量の影響をコントロールしても、文法知識が優れていることが示されました。^{[ 24 ]}これは、言語学習は統計的学習に基づいているという理論によって裏付けられています。 ^{[ 22 ]}統計的学習とは、乳児が言語における音と単語の一般的な組み合わせを認識し、それを将来の発話に役立てるプロセスです。

乳児の言語習得の最初のステップは、母語の最も基本的な音の単位を解読することです。これには、すべての子音、すべての短母音と長母音、および英語の「th」や「ph」などの追加の文字の組み合わせが含まれます。音素と呼ばれるこれらの単位は、接触とパターン認識によって検出されます。乳児は、生得的な特徴検出器の能力を使用して単語の音を区別します。^{[ 23 ]}乳児は、カテゴリー知覚のメカニズムによって音素に分割します。次に、「qu」や「h」と母音の組み合わせのように、どの音の組み合わせが一緒に発生する可能性が最も高いかを認識することによって、統計情報を抽出します。 ^{[ 23 ]}このように、単語を学ぶ能力は、初期の音声パターンの正確さに直接基づいています。

音素の分化から高次の単語生成への移行^{[ 23 ]}は、階層的な言語獲得の最初のステップにすぎません。パターン認識は、さらに韻律の手がかり、単語間のアクセントとイントネーションのパターンの検出にも利用されます。^{[ 23 ]}次に、文の構造と典型的な節境界の理解に適用されます。^{[ 23 ]}このプロセス全体は、読書にも反映されます。まず、子供は個々の文字のパターンを認識し、次に単語、次に単語のグループ、次に段落、最後に本の章全体を認識します。^{[ 25 ]読み方と話すことを学ぶことは、知覚的パターン認識における「段階的なパターンの洗練」 [ 25 ]}に基づいています。

音楽のパターン認識を理解するには、このプロセスの一部をそれぞれ担当する基礎となる認知システムを理解する必要があります。楽曲とそのパターンの認識には、さまざまな活動が関わっています。研究者たちは、音楽に対する刺激反応の背後にある理由を解明し始めています。モントリオールを拠点とする研究者たちは、音楽を聴いて「鳥肌が立つ」10人のボランティアに、脳活動をモニタリングしながらお気に入りの曲を聴いてもらいました。^{[ 26 ]}その結果、動機付け、報酬、中毒などの認知プロセスに関与する側坐核（NAcc）領域が、その経験を構成する神経配置を作り出す上で重要な役割を果たしていることが示されました。 ^{[ 26 ]}曲のクライマックス前の期待感によって報酬予測の感覚が生み出され、クライマックスに達すると解決感が得られます。リスナーが期待するパターンを長く拒否されるほど、パターンが戻ってきたときの感情的な興奮は大きくなります。音楽学者のレナード・マイヤーは、ベートーヴェンの弦楽四重奏曲嬰ハ短調作品131の第5楽章の50小節を使ってこの概念を検証した。 ^{[ 26 ]}この経験が強ければ強いほど、より鮮明な記憶が作られ、保存される。この強さは、音楽パターンの想起と認識の速度と正確さに影響を与える。脳は特定の曲を認識するだけでなく、標準的な音響的特徴、音声、音楽を区別する。

MITの研究者たちはこの考えを検証する研究を行った。^{[ 28 ]}その結果、聴覚皮質の6つの神経クラスターが音に反応することが示された。4つは標準的な音響的特徴を聞いたときに活性化され、1つは特に音声に反応し、最後の1つは音楽にのみ反応した。音楽の音色、音調、リズムの特徴の時間的変化の相関関係を研究した研究者たちは、音楽が運動行動、感情、創造性に関連する脳領域を活性化するという結論に達した。この研究は、音楽を聴いているときに脳全体が「活性化」することを示している。^{[ 29 ]}この活動量は記憶の保持を促進し、ひいてはパターン認識を促進する。

音楽のパターンを認識することは、演奏者と聴衆では異なります。演奏者は毎回同じ音符を演奏するかもしれませんが、周波数の詳細は常に異なります。聴衆は、変化があっても音楽のパターンとその種類を認識します。これらの音楽の種類は概念的で学習されたものであり、文化によって異なる可能性があります。^{[ 30 ]}聴衆は（暗黙の）音楽素材を認識することに関わっているのに対し、演奏者は（明示的な）音楽素材を思い出すことに関わっています。^{[ 2 ]}

UCLAの研究によると、音楽が演奏されているのを見たり聞いたりすると、楽器を演奏するために必要な筋肉に関連するニューロンが発火することがわかった。ミラーニューロンは、音楽家と非音楽家が曲を聴くときに活性化する。^{[ 31 ]}

音楽のパターン認識は、音楽の同期や注意力のパフォーマンス、楽譜、脳の活性化など、他のスキルを構築し強化することができます。数年間の音楽訓練でも、記憶力と注意力が向上します。ニューカッスル大学の科学者は、重度の後天性脳損傷（ABI）患者と健常者を対象に、ポピュラー音楽を使用して音楽によって喚起される自伝的記憶（MEAM）を調査する研究を実施しました。 ^{[ 29 ]}参加者は、曲に対する親しみやすさ、好きかどうか、どのような記憶が喚起されるかを記録するように求められました。結果は、ABI患者のMEAMが最も高く、すべての参加者が、一般的に肯定的な人物、人々、または人生の時期のMEAMを持っていることを示しました。^{[ 29 ]}参加者は、パターン認識スキルを使用してタスクを完了しました。記憶の喚起により、曲はより親しみやすく、好まれるように聞こえました。この研究は、自伝的想起記憶に根本的な欠陥がなく、音高知覚が損なわれていない自伝的健忘症患者のリハビリテーションに役立つ可能性があります。^{[ 29 ]}

カリフォルニア大学で行われた研究で、デイビスは参加者が音楽を聴いている間の脳の活動をマッピングした。^{[ 32 ]}その結果、脳の領域と自伝的記憶、そして馴染みのある音楽によって活性化される感情との関連性が示された。この研究は、アルツハイマー病患者が音楽に強く反応する理由を説明できる。この研究は、パターン認識能力を高めるタスクに取り組む患者にとって役立つ可能性がある。