Mentální chronometrie je využití doby odezvy ve percepčně-motorických úkolech k odvození obsahu, trvání a časového řazení kognitivních operací.
Mentální chronometrie je jedním ze základních paradigmat experimentální a kognitivní psychologie a nalezla uplatnění v různých oborech včetně kognitivní psychofyziologie/kognitivní neurovědy a behaviorální neurovědy k objasnění mechanismů, které jsou základem kognitivního zpracování.
Mentální chronometrie je studována pomocí měření reakční doby (RT). Reakční doba je doba, která uplyne mezi představením smyslového podnětu a následnou behaviorální reakcí. V psychometrické psychologii je považována za index rychlosti zpracování. To znamená, jak rychle může myslitel provést mentální operace potřebné pro daný úkol. Rychlost zpracování je zase považována za index efektivity zpracování. Reakce chování je typicky stisk tlačítka, ale může být také pohybem oka, hlasovou reakcí nebo nějakým jiným pozorovatelným chováním.
Doba odezvy je součet doby reakce plus doby pohybu.
Obvykle je ve výzkumu kladen důraz na reakční dobu. Existují čtyři základní prostředky měření RT za různých provozních podmínek, během kterých má subjekt poskytnout požadovanou odezvu:
Jednoduchá reakční doba je doba potřebná k tomu, aby pozorovatel reagoval na přítomnost podnětu. Subjekt může být například požádán, aby stiskl tlačítko, jakmile se objeví světlo nebo zvuk. Průměrná RT u jedinců vysokoškolského věku je přibližně 160 milisekund pro detekci sluchového podnětu a přibližně 190 milisekund pro detekci zrakového podnětu.
Úkoly rozpoznávání nebo Go/No-Go reakční doby vyžadují, aby subjekt stiskl tlačítko, když se objeví jeden typ podnětu, a zadržel odpověď, když se objeví jiný typ podnětu. Subjekt může například stisknout tlačítko, když se objeví zelené světlo, a nereagovat, když se objeví modré světlo.
Úkoly výběru reakčního času (CRT) vyžadují odlišné odezvy pro každou možnou třídu podnětu. Například subjekt může být požádán, aby stiskl jedno tlačítko, pokud se objeví červené světlo, a jiné tlačítko, pokud se objeví žluté světlo. Jensenova skříňka je příkladem přístroje určeného k měření výběru reakčního času.
Diskriminační reakční doba zahrnuje porovnávání dvojic současně prezentovaných vizuálních displejů a následný stisk jednoho ze dvou tlačítek podle toho, který displej se jeví jasnější, delší, těžší nebo větší ve velikosti na nějaké dimenzi zájmu.
Vzhledem k momentálním výpadkům pozornosti existuje značná variabilita v reakční době jedince, která nemá tendenci sledovat normální (Gaussovo) rozložení. Pro kontrolu toho výzkumníci obvykle vyžadují, aby subjekt provedl více testů, ze kterých lze vypočítat míru „typické“ reakční doby. Užívání průměru surové reakční doby je zřídkakdy efektivní metodou charakterizace typické reakční doby a alternativní přístupy (například modelování celého rozložení reakční doby) jsou často vhodnější.
Vývoj metodiky mentální chronometrie
Psychologové vyvinuli a zdokonalili mentální chronometrii za posledních 100 let. Perský vědec Abú Rayhān al-Bīrūnī byl první osobou, která popsala pojem reakční doby:
„Nejenže je každý vjem provázen odpovídající změnou lokalizovanou ve smyslovém orgánu, která vyžaduje určitý čas, ale také mezi stimulací orgánu a vědomím vnímání musí uplynout časový interval odpovídající přenosu podnětu na určitou vzdálenost podél nervů.“
Galton a diferenciální psychologie
Sir Francis Galton je obvykle považován za zakladatele diferenciální psychologie, která se snaží určit a vysvětlit mentální rozdíly mezi jednotlivci. Byl prvním, kdo použil přísné testy reakční doby s výslovným záměrem určit průměry a rozsahy individuálních rozdílů v mentálních a behaviorálních rysech u lidí. Galton vyslovil hypotézu, že rozdíly v inteligenci se odrazí ve variacích senzorické diskriminace a rychlosti reakce na podněty, a postavil různé stroje, které testovaly různá měřítka, včetně reakční doby na vizuální a sluchové podněty. Jeho testy zahrnovaly výběr více než 10 000 mužů, žen a dětí z londýnské veřejnosti.
Prvním vědcem, který měřil reakční čas v laboratoři, byl Franciscus Donders (1869). Donders zjistil, že jednoduchá reakční doba je kratší než reakční doba rozpoznání a že reakční doba výběru je delší než obojí.
Donders (1868): metoda odčítání. Obrázek z webové stránky „Historický úvod do kognitivní psychologie“.
Donderové také vymysleli metodu odčítání, která analyzuje čas potřebný k provedení mentálních operací. Odečtením jednoduché reakční doby od zvolené reakční doby je například možné vypočítat, kolik času je potřeba k navázání spojení.
Tato metoda poskytuje způsob zkoumání kognitivních procesů, které jsou základem jednoduchých percepčně-motorických úloh, a tvořila základ následného vývoje.
I když Dondersova práce vydláždila cestu budoucímu výzkumu v testech mentální chronometrie, nebyla bez nevýhod. Dondersova metoda vkládání byla založena na předpokladu, že vložení konkrétního komplikujícího požadavku do RT paradigmatu neovlivní ostatní složky testu. Tento předpoklad – že přírůstkový efekt na RT byl striktně aditivní – nebyl schopen obstát v pozdějších experimentálních testech, které ukázaly, že vkládání bylo schopno interagovat s ostatními částmi RT paradigmatu. Navzdory tomu jsou Dondersovy teorie stále předmětem vědeckého zájmu a jeho myšlenky jsou stále používány v určitých oblastech psychologie, které nyní mají statistické nástroje k jejich přesnějšímu využití.
W. E. Hick (1952) vymyslel CRT experiment, který představil sérii devíti testů, ve kterých je n stejně možných voleb. Experiment měřil reakční čas subjektu na základě počtu možných voleb během daného pokusu. Hick ukázal, že reakční čas jedince se zvýšil o konstantní množství jako funkce dostupných voleb, nebo „nejistota“, ve které se reakční podnět objeví příště. Nejistota se měří v „bitech“, které jsou definovány jako množství informací, které snižuje nejistotu o polovinu v teorii informace. V Hickově experimentu se reakční čas zjistí jako funkce binárního logaritmu počtu dostupných voleb (n). Tento jev se nazývá „Hickův zákon“ a říká se, že je měřítkem „rychlosti získání informace“. Zákon se obvykle vyjadřuje vzorcem , kde a jsou konstanty představující zachycení a sklon funkce, a je počtem alternativ. Jensenova skříňka je novější aplikací Hickova zákona. Hickův zákon má několik zajímavých moderních aplikací v marketingu, kde jídelní lístky restaurací a webové rozhraní (mimo jiné) využívají jeho zásad ve snaze dosáhnout rychlosti a snadnosti používání pro spotřebitele.
Sternbergův úkol skenování paměti
Sternberg (1966) vymyslel experiment, ve kterém bylo subjektům řečeno, aby si zapamatovali sadu unikátních číslic v krátkodobé paměti. Subjektům pak byl dán podnět sondy ve formě číslice od 0 do 9. Subjekt pak co nejrychleji odpověděl, zda sonda byla v předchozí sadě číslic nebo ne. Velikost počáteční sady číslic byla nezávislá proměnná a reakční čas subjektu byl závislou proměnnou. Myšlenka je taková, že s velikostí sady číslic se zvyšuje i počet procesů, které je třeba dokončit, než je možné učinit rozhodnutí. Takže pokud má subjekt 4 položky v krátkodobé paměti (STM), pak po zakódování informací získaných ze podnětu sondy bude muset subjekt porovnat sondu s každou ze 4 položek v paměti a pak učinit rozhodnutí. Pokud by v počáteční sadě číslic byly pouze 2 položky, pak by se počet procesů snížil o 2. Data z této studie zjistila, že za každou další položku přidanou do sady číslic, kterou měl subjekt v STM, se k době odezvy subjektu přičítá asi 38 milisekund. Toto zjištění podpořilo myšlenku, že subjekt provádí sériové vyčerpávající vyhledávání v paměti, spíše než sériové samoukončující vyhledávání. Sternberg (1969) vyvinul velmi vylepšenou metodu pro dělení reakční doby na postupná nebo sériová stádia, nazvanou metoda aditivního faktoru.
Shepard a Metzler je mentální rotace úkol
Shepard a Metzler (1971) představili dvojici trojrozměrných tvarů, které byly identické nebo zrcadlově obrazové verze jeden druhého. Reakční doba pro určení, zda byly identické nebo ne, byla lineární funkcí úhlového rozdílu mezi jejich orientací, ať už v obrazové rovině nebo v hloubce. Dospěli k závěru, že pozorovatelé prováděli mentální rotaci s konstantní rychlostí, aby srovnali oba objekty, aby mohly být porovnány. Cooper a Shepard (1973) představili písmeno nebo číslici, které byly buď normální nebo zrcadlově obrácené, a představili je buď ve vzpřímené poloze nebo pod úhly rotace v jednotkách 60 stupňů. Subjekt musel určit, který typ podnětu to byl: normální nebo zrcadlově obrácený. Reakční doba se zvyšovala zhruba lineárně, jak se orientace písmene odchylovala od vzpřímené (0 stupňů) k obrácené (180 stupňů), a pak se opět snižovala, až dosáhla 360 stupňů. Autoři došli k závěru, že subjekty mentálně otáčejí obrázek o nejkratší vzdálenost do svislé, a pak posuzují, zda je normální nebo zrcadlově obrácený.
Ověření obrazu věty
Mentální chronometrie a modely paměti
Hierarchické síťové modely paměti byly z velké části vyřazeny kvůli některým nálezům týkajícím se mentální chronometrie. Model TLC navržený Collinsem a Quillianem (1969) měl hierarchickou strukturu naznačující, že rychlost vyvolání v paměti by měla být založena na počtu úrovní v paměti procházených za účelem nalezení potřebných informací. Výsledky experimentů však s tímto modelem nesouhlasily. Například subjekt spolehlivě odpoví, že červenka je pták rychleji, než odpoví, že pštros je pták navzdory tomu, že tyto otázky přistupují ke stejným dvěma úrovním v paměti. To vedlo k vývoji modelů šíření aktivace paměti (např. Collins & Loftus, 1975), kde se vazby v paměti neorganizují hierarchicky, ale podle důležitosti místo toho.
Posnerovy studie shody dopisů
Posner (1978) použil sérii studií shody písmen k měření času mentálního zpracování několika úloh spojených s rozpoznáním dvojice písmen. Nejjednodušší úlohou byla fyzická shoda úloh, ve kterých byly subjektům ukázány dvojice písmen a musely určit, zda jsou obě písmena fyzicky identická nebo ne. Další úlohou byla shoda názvů úloh, ve kterých subjekty musely určit, zda dvě písmena mají stejný název. Úkolem zahrnujícím nejvíce kognitivních procesů byla shoda pravidel úloh, ve kterých subjekty musely určit, zda dvě předložená písmena jsou samohlásky nebo ne samohlásky.
Fyzický úkol shody byl nejjednodušší, protože duševně subjekty musely písmena zakódovat, porovnat je mezi sebou a rozhodnout se. Při provádění úkolu shody názvů byly subjekty nuceny přidat kognitivní krok, než se rozhodly. Musely hledat v paměti názvy písmen a pak je porovnat, než se rozhodly. V úkolu založeném na pravidlech musely také před volbou zařadit písmena buď jako samohlásky, nebo souhlásky. Čas potřebný k provedení úkolu shody názvu byl delší než úkol shody názvu, který byl delší než fyzický úkol shody. Pomocí metody odčítání byli experimentátoři schopni určit přibližnou dobu, kterou subjektům trvalo provést každý z kognitivních procesů spojených s každým z těchto úkolů.
Mentální chronometrie a kognitivní vývoj
V posledních letech byl proveden rozsáhlý výzkum pomocí metod mentální chronometrie pro studium kognitivního vývoje. Konkrétně byla použita různá měřítka rychlosti zpracování ke zkoumání změn v rychlosti zpracování informací v závislosti na věku. Kail (1991) ukázal, že rychlost zpracování exponenciálně roste od raného dětství do rané dospělosti. Studie reakční doby u malých dětí různého věku jsou v souladu s běžným pozorováním dětí zabývajících se činnostmi, které nejsou typicky spojeny s chronometrií. Patří sem rychlost počítání, natahování se po věcech, opakování slov a další rozvíjející se hlasové a motorické dovednosti, které se rychle rozvíjejí u rostoucích dětí. Po dosažení rané dospělosti pak následuje dlouhé období stability, dokud rychlost zpracování nezačne klesat od středního věku k senilitě (Salthouse, 2000). Ve skutečnosti je kognitivní zpomalení považováno za dobrý index širších změn ve fungování mozku a inteligence. Demetriou a jeho kolegové pomocí různých metod měření rychlosti zpracování ukázali, že je úzce spojeno se změnami pracovní paměti a myšlení (Demetriou, Mouyi, & Spanoudis, 2009). Tyto vztahy jsou rozsáhle diskutovány v neo-piagetských teoriích kognitivního vývoje.
Během senescence se RT zhoršuje (stejně jako fluidní inteligence) a toto zhoršení je systematicky spojováno se změnami v mnoha dalších kognitivních procesech, jako jsou výkonné funkce, pracovní paměť a inferentiální procesy. V teorii Andrease Demetrioua, jedné z neo-piagetovských teorií kognitivního vývoje, je změna rychlosti zpracování s věkem, jak naznačuje snižující se reakční čas, jedním ze stěžejních faktorů kognitivního vývoje.
Dva měřicí přístroje spoléhající na kognitivní chronometrii jsou IAT (Implicit Association Test) a TARA (Timed Antagonistic Response Alethiometer).
Mentální chronometrie a kognitivní schopnosti
Výzkumníci uvedli středně velké korelace mezi reakčním časem a měřením inteligence: U jedinců s vyšším IQ je tedy tendence být rychlejší při testech reakčního času.
Výzkum této spojitosti mezi mentální rychlostí a obecnou inteligencí (možná poprvé navržený Charlesem Spearmanem) byl znovu popularizován Arthurem Jensenem a „Choice reaction Apparatus“ spojený s jeho jménem se stal běžným standardním nástrojem ve výzkumu reakční doby-IQ.
Síla RT-IQ asociace je předmětem výzkumu. Několik studií uvedlo asociaci mezi jednoduchým reakčním časem a inteligencí kolem (r=−.31), s tendencí k větším asociacím mezi vybraným reakčním časem a inteligencí (r=−.49). Velká část teoretického zájmu o reakční čas byla řízena Hickovým zákonem, vztahujícím se ke sklonu reakčního času zvyšuje složitost požadovaného rozhodnutí (měřeno v jednotkách nejistoty popularizované Claudem Shannonem jako základ informační teorie). To slibovalo propojení inteligence přímo s rozlišením informace i ve velmi základních informačních úlohách. Existuje určitá podpora pro spojení mezi sklonem křivky reakčního času a inteligencí, pokud je reakční čas přísně kontrolován.
Bylo zjištěno, že standardní odchylky reakčních časů silněji korelují s mírami obecné inteligence (g) než s průměrnými reakčními dobami. Reakční doby jedinců s nízkým g jsou rozptýlenější než u jedinců s vysokým g.
Příčina vztahu je nejasná. Může odrážet efektivnější zpracování informací, lepší kontrolu pozornosti nebo integritu neuronálních procesů.
Aplikace mentální chronometrie v biologické psychologii/kognitivní neurovědě
Regions of the Brain Involved in a Number Comparison Task Odvozeno ze studií EEG a fMRI. Zastoupené oblasti odpovídají oblastem, které vykazují účinky notace použité pro čísla (růžová a šrafovaná), vzdálenost od testovacího čísla (oranžová), výběr ruky (červená) a chyby (fialová). Obrázek z článku: „Timing the Brain: Mental Chronometry as a Tool in Neuroscience“.
S příchodem funkčních neurozobrazovacích technik, zejména PET a fMRI, začali psychologové modifikovat svá mentální chronometrická paradigmata pro funkční zobrazování (Posner, 2005). Ačkoli psycho(fyziologové) používali elektroencefalografická měření již desítky let před početím PET a fMRI, snímky získané pomocí PET vzbudily velký zájem i v jiných oborech neurovědy a v posledních letech stále více popularizují mentální chronometrii mezi propracovanějším druhem vědců. Způsob, jakým je mentální chronometrie využívána, spočívá v provádění úkolů založených na reakční době, která prostřednictvím neurozobrazování měří části mozku, které jsou zapojeny do kognitivních procesů.
V 50. letech 20. století použití mikroelektrodového záznamu jednotlivých neuronů u opic v anestezii umožnilo výzkum fyziologických procesů v mozku a podpořilo myšlenku, že lidé kódují informace sériově.
V 60. letech se tyto metody hojně používaly u lidí: výzkumníci zaznamenávali elektrické potenciály v lidském mozku pomocí elektrod ve vlasové části hlavy, zatímco reakční úkony se prováděly pomocí digitálních počítačů. Zjistili, že existuje spojení mezi pozorovanými elektrickými potenciály s motorickými a smyslovými stadii pro zpracování informací. Výzkumníci například v zaznamenaných potenciálech ve vlasové části zjistili, že čelní kůra se aktivuje ve spojení s motorickou aktivitou. Toto zjištění lze spojit s Dondersovou představou o subtraktivní metodě smyslových a motorických stadií zapojených do reakčních úkonů.
V 70. a počátkem 80. let se vývoj nástroje pro zpracování signálů pro EEG promítl do oživení výzkumu využívajícího tuto techniku k posouzení načasování a rychlosti mentálních procesů. Například vysoce sledovaný výzkum ukázal, jak reakční čas na daném pokusu koreloval s latencí vlny P300 nebo jak časový průběh EEG odrážel posloupnost kognitivních procesů zapojených do percepčního zpracování.
V 80. letech 20. století umožnily neurozobrazovací experimenty výzkumníkům detekovat aktivitu v lokalizovaných oblastech mozku injekcí radionuklidů a pomocí pozitronové emisní tomografie (PET) je detekovat. Také byla použita fMRI, která detekovala přesné oblasti mozku, které jsou aktivní během mentálních chronometrických úkonů. Mnoho studií ukázalo, že existuje malý počet oblastí mozku, které jsou široce rozprostřené a které se podílejí na provádění těchto kognitivních úkonů.