コーヒー1杯の暖かさ

心理学を研究する大学院生が、研究もそこそこちゃんとやりながら、日本の教育に一石を投じます。

認知的制御課題における努力の指標としての瞳孔散大:レビュー(van der Wel, & van Steenbergen, Psychonomic Bulletin and Review, 2018)

f:id:jin428:20210607094800j:plain


みなさんこんにちは!

微かに混じり合う教育と心理学とアートを考えていますじんぺーです。

今日も論文を読んでいきます。

  

www.jinpe.biz

 

さっそくいきます!

 

認知的制御課題における努力の指標としての瞳孔散大:レビュー(van der Wel, & van Steenbergen, Psychonomic Bulletin and Review, 2018)

結論からいうと、瞳孔拡張が認知制御課題における努力の間接的な指標として使用できることを示している。

背景

■瞳孔拡張の研究は1960年代初頭から行われていた(Hess & Polt, 1964; Kahneman & Beatty, 1966) 

・瞳孔測定の研究はこの20年間で大きく復活

・初期の先駆的な研究とは対照的に、現在では瞳孔散大の研究は比較的容易になっている

・アイトラッカーは比較的安価で、一般的には瞳孔径の比較的小さな変化を検出するのに十分な時間分解能と精度を備えている

■瞳孔散大とその幅広い認知プロセスとの関連性については、すでに複数のレビューが発表されている(Andreassi, 1980; Beatty & Lucero-Wagoner, 2000; Sirois & Brisson, 2014)

・注意(Laeng, Sirois, & Gredeback, 2012)

・記憶(Goldinger & Papesh, 2012)

・精神的負荷(Just, Carpenter, & Miyake, 2003; Kramer, 1990)など

■瞳孔散大(pupil dilation)とは、刺激によって誘発される、刺激前のベースライン期間に対する瞳孔径の増加を指す

・課題誘発性瞳孔反応(task-evoked pupillary response)とも呼ばれる

・課題の要求度が高くなると瞳孔の拡張が起こる

・瞳孔散大は課題の要求や負荷を反映していると単純に結論づけた研究者もいれば

・さらに一歩進んで、瞳孔散大は要求に応じて発揮される努力を反映していると提案した研究者もいる

■難易度 vs. 努力

・努力とは、道具的行動のために資源を投入することであるという定義

・努力は課題遂行能力の低下ではなく向上と関連するはず

・個人間レベルでは、大きな瞳孔拡張を持つ参加者は小さな瞳孔拡張を持つ参加者よりも優れたタスクパフォーマンスを示すかもしれない

▶そのような効果は、周囲の照明(Beatty & Lucero-Wagoner, 2000)、民族(Quant & Woo, 1992)、年齢(MacLachlan & Howland, 2002)などの違いによって生じるベースラインの生の瞳孔径の違いでは説明できないことを示すことが重要

・被験者内の比較による瞳孔拡張差スコアを用いることも考えられるが、刺激の輝度を注意深くコントロールしないと、これらの差は光反射の個人差を反映する可能性がある

 

更新

・ワーキングメモリの更新には、入ってくる情報の監視、現在ワーキングメモリに保持されている情報との統合、タスクの要求に応じた更新が含まれる

・代表的な更新課題としては、文字記憶課題(Morris & Jones, 1990)、トーンモニタリング課題(Binder et al., 1995)、キープトラック課題(Pylyshyn & Storm, 1988; Yntema, 1963)など

・トーンモニタリング課題を用いた研究では,音程判別の難易度が高くなるほど瞳孔が開くことが示されている

・keep track課題を用いた最近の研究では、追跡対象物の数が増えると瞳孔散大が増加する

■数学課題

・課題誘発性の瞳孔散大と課題の難易度を調べるために、多くの研究で数学的問題が用いられてきた

・瞳孔拡張と暗算に関する画期的な研究では、難易度が高くなるほど瞳孔が拡張することが示され、瞳孔拡張は「精神活動の直接的な尺度として使用できる」と解釈された

・それ以来、この知見は多くの研究で再現されている

・Ahern and Beatty (1979) は、算数の成績と瞳孔散大の関係は、知能の個人差によって調整されることを明らかにした:知能の高い人は低い人に比べて、どのレベルの課題でも瞳孔拡張が小さく、より正確に回答する

▶知能の高い人は、情報を効率的に処理するため、より少ない努力で済むことを示唆

・これに対して,van der Meerらの最近の研究(Van Der Meer et al.,2010)では,流動性知能の高い人は,健常者と比較して,類推推論課題をより速く,より正確に解くと同時に,より大きな瞳孔散大を示すことが報告されている

・この2つの研究が一致しない理由は、タスクの違いにあるのかもしれない

■n-back課題

・複数の研究により、nの増加に伴って瞳孔の拡張が増加することが示されている

・分類アルゴリズムを用いた最近の研究では、瞳孔拡張だけで、認知的負荷の高低を75 %の精度で区別できることが示されている

・脳波、皮膚コンダクタンス、呼吸、心拍数、まばたきなどの他の測定法と比較した場合、最初の測定法だけがこの値を上回り、分類精度は80 %

・2バック課題のターゲット刺激に対する瞳孔拡張の増加が、エラーレートの低下というパフォーマンスの向上を予測することが示されている

■数字スパン課題

・複数の研究により,数字の数が増えると瞳孔が拡張することが報告されており,瞳孔の拡張が課題の要求の増加に対応していることが示されている

・処理すべき情報の量が自分の能力を超えると,瞳孔散大が起こらなくなることが報告されている

■スターンバーグ課題

・符号化段階と探索段階からなる課題

・若年者では,課題の難易度が高くなるにつれて,2つの瞳孔拡張ピークが存在し,1つは符号化段階,もう1つは探索段階であった

・高齢者の場合、探索段階では作業量の増加に伴って瞳孔散大は増加しなかった

・瞳孔は認知的負荷の敏感な尺度であり、年齢が上がるにつれて感度が低下し、信頼性が低下する可能性があると解釈

・個人差に関する研究では、瞳孔拡張の増加がパフォーマンスの向上と関連することが明らかにされている

 

シフト

■シフティング:認知的コントロールのもう一つの重要な要素は、タスク、オペレーション、メンタルセットの間を行き来する能力

・プラスマイナス課題(Jerslid, 1927; Spector & Biederman, 1976)

・数字-文字課題(Rogers & Monsell, 1995)

・ローカル-グローバル課題(Navon, 1977)

・瞳孔散大との関連性が指摘されているのは,数字-文字課題だけ:この課題では,被験者は変化する課題に応じて数字を答えるため,課題スイッチ試行と課題リピート試行を比較することができる

・スイッチ試行では反復試行に比べて瞳孔散大が増加することが明らかになった

 

抑制

■Go/No-Go課題

・運動抑制を必要とするNo-Go試行は,Go試行に比べて有意に小さな瞳孔散大を引き起こすことが明らかになっている

・No-Go試行とGo試行の瞳孔散大効果を努力の違いに帰することは困難

▶瞳孔散大効果に独立して寄与する可能性のある運動実行の有無によって混同されるから

■antisaccade課題

・提示された標的の反対側への眼球運動を必要とするantisaccade試行は、標的への眼球運動を必要とするprosaccade試行と比較して、より大きな瞳孔拡張と関連することが示されている

・反サッカード条件の個人内相関に関する分析で、より大きな準備拡張がより速いサッカードと関連することが明らかになっている

■コンフリクト・パラダイム

・関連する情報に反応しつつ、無関係な情報を抑制するための認知制御が必要となる

・ストループ課題では、不一致(コンフリクト)試行では、一致試行に比べて瞳孔拡張が増加することが多くの研究で示されている

・最近の研究では、Simon課題においても、互換性のある試行に比べて、互換性のない試行では瞳孔の拡張が増加することが示されている

■葛藤モニタリング理論(Botvinick et al., 2001)では、要求の検出(葛藤モニタリング)と努力の発揮には、それぞれ2つの解離可能なプロセスと関連する神経システムが存在すると考えられている

・瞳孔拡張の逐次分析を行った研究では,不一致試行後の葛藤による瞳孔拡張が一致試行後よりも小さいことが明らかになっている

 

対立する結果

■課題要求の増加が瞳孔散大の増加につながることが明らかにされている

・単に課題要求の増加を反映しているのか、実際の努力の増加を反映しているのかを判断することはできない

■相関関係は2つのレベルで観察

・イントラレベルでの分析は、交絡の影響を最も受けにくいため、これらの知見は特に説得力がある

■瞳孔の大きさは、括約筋と拡張筋という2つの筋肉によって制御されており、それぞれ神経系の副交感神経と交感神経の活動に影響される

・交感神経の活動は拡張筋を駆動して拡張を促し、副交感神経の活動を抑制すると括約筋の収縮が抑えられ、これも拡張につながる

 ・課題要求に応じて瞳孔拡張を促す覚醒の変調には、青斑核ノルエピネフリン(LC-NE)系が関係: 具体的には、脳内のACCなどの課題要求を検出する領域からの入力を受け、その送出された信号が、認知制御に重要な前頭葉や頭頂葉領域や、注意に重要な上丘などの皮質下領域を含む、大脳皮質全体の神経利得レベルに影響を与える

 

 

論文

van der Wel, P., & van Steenbergen, H. (2018). Pupil dilation as an index of effort in cognitive control tasks: A review. Psychonomic Bulletin and Review, 25(6), 2005–2015. https://doi.org/10.3758/s13423-018-1432-y