手の運動制御における視覚系の役割−なぞり動作の時空間特性の検討 [ PDF

全文

(1)手の運動制御における視覚系の役割 −なぞり動作の時空間特性の検討− キーワード：運動制御，視覚情報，なぞり動作行動システム専攻助宮治はじめに. 胴部から 40cm 離れた位置と一致するよう配置した（図 1）．. 近年，多くの研究によって，指示動作や到達動作，到達. 各被験者の右手人差し指の先に赤色発光ダイオード（直径. 把持動作の実行中にどのような視覚情報が利用されている. 5mm）を取り付け，一連の動作をデジタルビデオカメラ（サン. かが議論されており，そのメカニズムが明らかになりつつある. プリングレート30frame/s）で撮影し，マーカーの位置座標. （Desmurget&Grafton,2000）．. をフレーム毎に解析した．. 例えば指示動作では，手が見える条件と見えない条件を. 動作対象の形状（2：直線／円）×サイズ（3：. 実験条件. 比較すると，後者における動作の正確さが低下する. 5cm／10cm／15cm）の計 6 条件を設けた．各条件につき8. （Conti&Beauraton,1980）．また到達把持動作においても，. 試行の繰り返しとし，計 48 試行をランダムに行った．. 手の見えが排除されると，運動時間の増加や把持における. 手続き. 指間距離の増大が生じる（Berthier et al.,1996）．これらの. 手の人差し指の先をスタート位置の上に置いて眼を閉じた．. 事実は，指示動作や到達把持動作の制御において，手に. 合図音が鳴ると被験者は目を開け，ターゲット図形の輪郭に. 関する視覚情報が重要な役割を担っていることを示している．. 沿って右手人差し指でなぞり，再びスタート位置に指先を置. 近年では，これらの動作の制御機構として，動作の終了時. いた．ここで被験者には，素早くかつ正確になぞり，円図形. 点における位置決めのための視覚フィードバックに加えて，. の場合は，動作開始時の指先の位置（以下，「開始位置」）と. 動作の実行中におけるオンラインでの視覚情報の利用につ. なぞり終わった時の指先の位置（以下，「終了位置」）を一致. いても議論がなされており（Desmurget et al.,1999），その. させるように教示した．. 制御機構について，ハイブリッド型の制御モデルが考案され. 被験者. 試行の始まる前，被験者は椅子に着席し，右. 7 名が実験に参加した．全員右利きであった．. ている（Desmurget&Grafton,2000）．しかしこのモデルでは，主に手と対象物に関する視覚情報に重点が置かれ，それ以外の視覚情報（以下，「外的枠組み」）の役割については明らかでない．また手の動作は，その機能の複雑さ故に多くの視覚運動変換を必要とするため，あらゆる動作を説明できるモデルの構築には至っていない．そこで本研究では，図形の輪郭と指先の動きを同期させる. (a). 「なぞり動作」に注目し，その時空間特性を明らかにするとともに，手，外的枠組みの見えが制御メカニズムにおいてどのように利用されるかを検討した．なぞり動作については，これまでに殆ど研究がないことも，この動作を取り上げた大きな理由である．実験 1 目的. 実験 1 は，なぞり動作の時空間特性を明らか. にするとともに，動作対象の形状とサイズが，その特性にどのような影響を及ぼすか検討することを目的とした．方法刺激と装置. (ｂ) 図1. ターゲット図形には直線と円を用い（幅. 2mm，黒色），その中点又は中心点が被験者の正中軸上で. 実験 1 における刺激と装置の配置. (a)は上方向から見た場合，(b)は横方向から見た場合の刺激と装置の配置．.

(2) 最大到達速度[mm/ sec]. 平均運動時間 [ms]. 4000 3000 2000 1000 0. 50. 100. 150. ターゲット図形のサイズ[mm]. 500. 円. 400 300 200 100 0 50. 100 150 ターゲット図形のサイズ[mm]. (a). 開始位置と終了位置の誤差[mm]. 直線 5000. 20 15 10 5 0 50 100 150 ターゲット図形のサイズ[mm]. (b). (c). 図 2 実験 1 の結果 (a)は各図形における運動時間の平均値．(b)は各図形における最大運動速度の平均値．(c)は動作の開始位置と終了位置との誤差量．誤差棒は標準誤差を示す．. 結果と考察. について，1（3 種類のサイズ）要因分散分析を行った結果，. 指先が図形の輪郭上をポイントしてからなぞり動作が完了. サイズの主効果に有意傾向が見られ（F(2,12)=3.509,. するまでを，1 試行の実験データとして画像解析した．ここか. p=0.0631），その拡大に伴って誤差量が増加する傾向が示. ら得られた位置座標から，動作の時間特性の指標として「平. された（図 2c）．本実験では，被験者に動作軌跡に関する視. 均運動時間」と「指先の最大運動速度」，空間特性の指標と. 覚フィードバックを与えていないため，被験者は，動作の開. して「円図形における運動の開始位置と終了位置の誤差」を. 始位置を記憶しておく必要がある．サイズの拡大に伴う運動. 算出した．直線図形については，運動の始点と終点がそれ. 時間の増加が，開始位置に関する記憶表象の安定性を低. ぞれ直線の両端と対応しているため，特に分析は行わなか. 下させ，そのことが終了位置の確定に反映された可能性が. った．. 考えられる．. 運動時間と最大運動速度について，2（図形の形状）× 3(サイズ）の 2 要因分散分析を行った．運動時間については，. 実験 2 実験 2 は，手と外的枠組みの見えを独立して操. 形状の主効果，およびサイズの主効果がみられ（それぞれ. 目的. F(1,6)=110.971,p<.001； F(2,12)=43.902, p<.001），す. 作する実験パラダイムを用い，なぞり動作の制御に利用され. べてのサイズの間に有意差がみられた（p<.05（図 2a）．また. る重要な視覚情報源の特定を目的とした．. 最大運動速度についても，形状の主効果，およびサイズの. 方法. 主効果が有意であり（それぞれ F(1,6)=8.237,p<.05 ；. 刺激と装置刺激と装置は実験 1 に準じた．ターゲット図形. F(2,12)=20.79, p<.001），全てのサイズの間に有意差が. は見える状況で手の見えを排除するために，不透明な台を. みられた（p<.05 (図 2b)）．以上の結果から，なぞり動作の時. 設置し，その台の下方で課題が遂行された(図 3）．. 間特性が図形の形状とサイズの影響を受けることが示されたが，同時に，本実験ではサイズ条件の各水準において，直線の長さと円の直径を一致させていたことから，運動距離の増加によっても説明が可能である．つまり運動時間は，その距離の増加に伴って増加するが，素早い動作の実現が可能となることが示された．このことは到達運動においても確認されている（例えば Paulignan et al.,1997）．しかし，運動距離がほぼ同じであった直線／15cm 条件と円／5cm 条件では，後者においてより運動時間と速度の増加が示されたことから，図形の形状に伴う筋運動の複雑さも時間特性に影響を及ぼす可能性が考えられる．次に，円図形における動作の開始位置と終了位置の誤差. 図 3 実験 2 の刺激と装置手の見えない条件における刺激と装置の配置．手の見える条件は，実験 1 の装置を用いた．.

(3) 外的枠組みの見え（2）×手の見え（2）の計 4. 実験条件. ることが示された(図 4c，4d)．この結果は，実験 1 と一致する．. 条件を設けた：「明所／ closed-loop 」条件，「明所／. 一方，手の見えの効果は，いずれの図形においてもみられ. open-loop 」条件，「暗所／ closed-loop 」条件，「暗所／. なかった．しかし本実験では，直線と円のいずれにおいても，. open-loop」条件．それぞれの条件を1 ブロックとし，各ブロッ. 外的枠組みと手の見えの間に交互作用がみられた（それぞ. ク内では，ターゲット図形の形状（2）×サイズ（3）の計 4 条件. れ F(1,6)=20.192,p<.001；F(1,6)=6.65, p<.05）．多重比. を設け，それぞれ 8 試行の繰り返しとして全 48 試行をランダ. 較の結果，両図形とも，closed-loop 条件における外的枠組. ムに行った．. みの効果と，明所条件における手の見えの効果がみられ. 手続き被験者. 実験 1 に準じて行った．. （p<.05），運動時間は，同じように手が見えている状況でも. 実験 1 に参加した 7 名．全員右利きであった．. 明所＜暗所の順で有意に増加し，一方，外的枠組みが利用. 実験データの解析方法は実験 1 に準じて. 結果と考察. できる状況でもclosed-loop 条件＜open-loop 条件の順に運. 行った．本実験では，実験 1 で用いたパラメーター以外に，. 動時間が増加することが示された．このことから，手の見えは，. 空間特性の指標として「open-loop 条件において再現された. 外的枠組みが利用できるか否かによって，動作の制御に利. 図形サイズの，ターゲット図形に対する誤差の割合（以下，. 用される方略が異なり，外的枠組みが利用できる場合には. サイズの誤差率）」を算出した．. その利用が低下するが，外的枠組みが利用できない場合に. まず，時間特性について以下の結果を得た．運動時間と最. は，より重要な情報源として制御に利用される可能性が考え. 大運動速度について，図形ごとに 2（外的枠組み）×2（手の. られる．. 見え）×3（サイズ）の 3 要因分散分析を行った結果，直線図. また空間特性については，動作の開始位置と終了位置と. 形では，運動時間と最大運動速度のいずれにおいてもサイ. の誤差において 2（外的枠組み）×2（手の見え）×3（サイ. ズの主効果が有意であり（それぞれ. ズ）の 3 要因分散分析を行った結果，外的枠組みの効果は. F(2,12)=15.072,p<.001；F(2,12)=47.659, p<.001），運動. 見られなかったが，手の見えの主効果が有意であり. 時間は 5cm＜15cm，10cm＜15cm の関係で増加し(図 4a)，. （F(1,6)=18.238,p<.01），open-loop 条件において誤差が. 運動速度は 5cm<10cm<15cm の順に増加することが示さ. 増加することが示された（図 5a）．また，サイズの誤差率につ. れた(図 4ｂ)．円図形においても同様に，両パラメーターにお. いては，いずれの図形ともサイズの主効果が有意であり，. けるサイズの主効果が有意であり（それぞれ. 5cm>15cm の関係で誤差率が増加した（図 5b,5c)．このこと. F(2,12)=21.706,. は，サイズの小さい図形ほどその制御に手の見えを必要と. p<.001 ；F(2,12)=54.848,p<.001 ），運. 動時間と最大運動速度は 5cm<10cm<15cm の順に増加す. <Line> 3000. する可能性を示唆している．. <Circle>. <Line>. 6000. 2000. LC. 4000. LO. 1000. DC. 2000. DO. 50. 100 150 ターゲット図形のサイズ[mm]. (a). <Circle>. 400. 400. 300. 300. 200. 200. 100. 100. 50. 100 150 ターゲット図形のサイズ[mm]. 50. 100. 150. ターゲット図形のサイズ [mm]. (b). (c) 図4. LC LO DC DO. 0. 0. 0. 最大運動速度 [ mm / s ec ]. 運動時間 [ ms ]. 8000. 0 50. 100. 150. ターゲット図形のサイズ[mm]. (d). 実験 2 の結果. (a)は直線における平均運動時間．(b)は円における平均運動時間．（c）は直線における最大運動速度． (d)は円における最大運度速度．「L」は明所条件，「D」は暗所条件，「C」は closed- loop 条件，「O」は open- loop条件を表す．.

(4) ＜Circle＞. 1. 1. 30. 0.8. 0.8. 0.6. 0.6. 0.4. 0.4. 0.2. 0.2. 0. 0. 20. LC LO DC. 10. DO. 0 50. 100. 誤差量 [%]. 開始位置と終了位置の誤差[ mm]. ＜Line＞ 40. 明所暗所. 50 100 150 ターゲット図形のサイズ[mm]. 50 100 150 ターゲット図形のサイズ[mm]. 150. ターゲット図形のサイズ[mm]. (a). (b) 図5. (c). 実験 2 の結果(左から(a)，(b)，(c),). (a) 動作の開始位置と終了位置との誤差量．(b)直線におけるサイズの誤差率．(c)円におけるサイズの誤差率．「L」は明所条件，「D」は暗所条件，「 C」は closed- loop条件，「O」は open- loop条件を表す．. 総合的考察本研究では，図形の輪郭と指先の動きを同期させるなぞり. ないときにより重要となる」と主張する Churchill et al.(2000)の見解を支持するものである．しかし一方で，運動. 動作を取り上げ，その時空間特性を解明するとともに，動作. の終了位置の確定といった空間的な正確さには，手の見え. 対象の形状やサイズの効果（実験 1）と，動作の制御メカニズ. が重要となることも明らかとなった．これらの結果から，比較. ムが重要とする視覚情報源の特定を行った（実験 2）．実験 1. 的単純な図形に対するなぞり動作においても，動作実行中. の結果から，なぞり動作の基本特性として，運動時間と最大. の様々なタイミングで質的に異なる視覚情報を使い分けるよ. 運動速度は，課題が求める運動距離に応じて増加するが，. うな制御がなされている可能性が示唆された．. このとき，形状によって求められる筋運動の複雑さも時間特性に影響を及ぼす可能性が示唆された．さらにこのことは，. 引用文献. 運動の開始点と終了点との位置合わせの正確さに反映される可能性がある．また実験 2 の時間特性から，外的枠組みが利用できるか否かによって，手に関する視覚情報の利用方略は異なり，外的枠組みが利用できる場合にはその利用が低下するが，外的枠組みが利用できない場合には，より重要な情報源として利用される可能性が示された． Akamatsu(1992)は，なぞり動作において，図形を触りながら同時に手の動きを見る事ができる「視覚−触覚」条件と，図形と手の動きを見る事はできる「視覚」条件では，前者の条件において，最大運動速度，平均速度，最大加速度が有. Akamatsu,M.. Ergonomics, 35(5/6), 1992, pp.647-660. Berthier,N.E., Clifton,R.K., Gullapalli,V. McCall,D.D. and Robin,D.J.. Journal of Motor Behavior , 28,. 1996, 187-197 Conti, P. and Beaubaton, D.. Perceptual and Motor. Skills, 50, 1980, 239-244 Churchill,A.,. Hopkins,B.,. Ronnqvist,L.. and. Vogt,S.. Experimental Brain Reseach, 134, 2000, 81-89. 意に増大すること，また視線の停留回数が減少することを示し，「視覚と触覚が共に与えられたときには，手の動きは速く. Desmurget M., Epstein CM., Turner RS., Prablanc C.,. なると共に視覚の使用が低下する」と結論付けている．本. Alexander GE. and Grafton ST.. 実験によって明らかとなった，明所／closed-loop 条件での. Neuroscience, 2(6), 1999 June , 563-567.. 運動時間の短縮は，Akamatsu (1992)のいう視覚情報の利用低下が，外的枠組みが利用できる状況でのみ採択される制御方略であり，その場合，利用が低下する情報源は手の見えである可能性を示している．また本実験の結果は，到達把持動作において「手の見えは，外的枠組みが利用でき. Desmurget,M. and Grafton,S.. Nature. Trands in Cognitive. Science, 4(11), 2000, 423-431 Paulignan,Y.,. Frak,V.G.,. Toni,I.. and. Jeannerod,M.. Experimental Brain Research, 114, 1997, 226-234.

(5)