不確実性と時間的プレッシャー下の運動意思決定

2025-02-11 Tue
不確実性と時間的プレッシャー下の運動意思決定研究学術的背景日常生活において、動物や人間はしばしば複数の可能性のある行動の中から最も適切なものを選択する必要があります。しかし、目標が不確実で時間的プレッシャーがかかる状況で、どのようにそれらの行動を計画し実行するかは、未だ完全には解明されていない神経科学の課題です。伝統的な見方では、脳は目標が不確実な場合、複数の部分的に準備された運動計画を競争させたり統合したりして最終的な行動を選択するとされています。一方で、別の見方では、脳は各瞬間で単一の最適化された運動計画のみを選択し、すべての意思決定は運動計画の前に行われるとされています。
これらの仮説を区別するために、Samuele ContemoriとTimothy J. Carrollは、目標不確実性の条件下で人々がどのように行動を計画し実行するかを研究するための実験を設計しました。特に時間的プレッシャー下で、人々が複数の潜在的な行動の「平均化」（motor averaging）を行うのか、それとも単一の最適化された運動計画を選択するのかを検証しました。この研究は、運動意思決定の神経メカニズムを理解する上で重要な意義を持ちます。
論文の出典本論文は、オーストラリアのクイーンズランド大学の人間運動・栄養科学学部の運動パフォーマンス研究センター（Centre for Sensorimotor Performance, School of Human Movement and Nutrition Sciences, The University of Queensland）の研究者Samuele ContemoriとTimothy J. Carrollによって共同で行われました。論文は2025年1月に『Journal of Neurophysiology』に掲載され、「Motor decision-making under uncertainty and time pressure」というタイトルが付けられています。
研究の流れ研究の設計この研究はAlhusseinとSmith（2021）の実験パラダイムに基づいており、いくつかの重要な変更が加えられています。参加者は最終的な目標が不確実な状態で、二つの反対方向の目標に向かって直ちに腕を伸ばす動作を開始する必要があります。時間的プレッシャーを増すため、参加者は目標が提示されてから500ミリ秒以内に動作を開始しなければならず、平均反応時間は約250ミリ秒に制御されました。反対方向の回転力場（curl force fields）を適用することで、研究者は腕を伸ばす動作の動的特性を異なる目標方向に関連付けました。
参加者と実験設定実験には24名の健康な右利きの成人が参加し、最終的には17名が完全な学習課題を完了しました。実験は二次元平面ロボットアーム（vBot）を使用し、参加者は視覚フィードバックを通じて腕の動きを制御しました。実験では、目標は中心目標と左右の側面目標に分けられ、各目標方向は異なる回転力場に関連付けられました。参加者は異なる実験段階において、単一目標と二つの目標に対する腕を伸ばす課題を行いました。
実験の段階実験は3つの段階に分かれています：ベースライン段階、トレーニング段階、およびテスト段階です。
ベースライン段階：参加者は二回の単一目標の慣熟課題を行い、各回45試行を行った後、二つの目標に対する課題に取り組みました。
トレーニング段階：参加者は七回の単一目標課題を行い、各回60試行を行い、その間にランダムにチャネル力場（channel force field）テストが挿入されました。
テスト段階：参加者は六回の課題を行い、各回80試行を行い、単一目標と二つの目標に対する課題を組み合わせ、新たに学習した腕を伸ばす動的特性が二つの目標条件下でどのように表現されるかを評価しました。
データ分析研究者は参加者の運動学（kinematic）と動力学（dynamic）データを記録し、回転力場への適応度や目標不確実性および時間的プレッシャーが腕を伸ばす動的特性に及ぼす影響を分析しました。受信者動作特性（ROC）分析と線形混合効果モデル（LMEM）を使用して、異なる目標条件下での腕を伸ばす動的特性の違いを評価しました。
主な結果目標不確実性が反応時間に及ぼす影響研究では、単一目標と二つの目標条件下での参加者の反応時間（RT）には有意な差がないことが確認されました。これは、動作の開始時間が目標が事前に知らされているかどうかとは無関係であることを示しています。ただし、二つの目標条件下では、腕を伸ばす初期の方向はしばしば二つの潜在的な目標の中間に位置し、目標が明確でない場合に参加者が中間的な戦略を取ることを示唆しています。
腕を伸ばす動的特性の選択研究の重要な発見は、二つの目標条件下での参加者の腕を伸ばす動的特性が、中心目標の動的特性のみと一致し、二つの側面目標の動的特性の「平均化」を示さなかったことです。反応時間が最短の場合でも、腕を伸ばす動的特性は側面目標の動的特性の「平均化」を示しませんでした。この結果は、「動作の選択が下流で行われる」という仮説を支持しており、腕を伸ばす動的特性の計画は目標選択の後に行われ、並行して複数の運動計画を準備することによってではなく行われることを示しています。
時間的プレッシャー下の運動学習研究では、時間的プレッシャーが参加者の運動学習の効率に大きな影響を与えることも明らかになりました。参加者は回転力場に適応しましたが、時間的プレッシャーがない実験と比較して、適応の程度は低く（約50％の理想的補償力）、時間的プレッシャーが運動学習の効率を低下させることを示しました。ただし、これによって腕を伸ばす動的特性の選択メカニズムが変わることはありませんでした。
結論この研究は、目標不確実性と時間的プレッシャーの下での腕を伸ばす動的特性の計画が、動作選択の下流で行われること、つまり複数の潜在的な動作の動的特性を平均化することなく行われることを明らかにしました。この発見は「単一の運動計画の最適化」仮説を支持しており、脳は目標選択の後に具体的な運動動的特性を指定することを示しています。この研究は、運動意思決定の神経メカニズムをより深く理解するだけでなく、今後の研究に新しい実験パラダイムを提供します。
研究のハイライト時間的プレッシャーの導入：研究は反応時間を厳密に制御することで、目標不確実性条件下での時間的プレッシャーが運動意思決定に与える影響を初めて検証しました。
腕を伸ばす動的特性の選択メカニズム：研究は回転力場の実験設計を通じて、「動的特性の平均化」と「単一の動的特性の最適化」という二つの仮説を明確に区別しました。
運動学習の効率性：研究は時間的プレッシャーが運動学習に及ぼす負の影響を明らかにし、運動学習の時間依存効果をさらに研究する上での重要な参考資料を提供しました。
その他の価値ある情報研究では、複数目標条件下での神経メカニズムについても探求し、仮想の中心目標が競争オプションとして脳に認識される可能性を示唆しています。これにより、二つの目標条件下で中心目標の動的特性が優先されるという新しい視点を示しています。この考え方は、今後の神経メカニズム研究に新たな方向性を提供します。
この研究は、緻密に設計された実験と深いデータ分析を通じて、不確実性と時間的プレッシャーの下での運動意思決定の制御メカニズムを理解するための重要な科学的根拠を提供しています。