メンタルローテーション課題遂行時の眼球運動の特性と利き眼との関係―アイマークレコーダーを用いた検討―

メンタルローテーション課題遂行時の眼球運動の特性と

利き眼との関係

アイマークレコーダーを用いた検討

北澤 一樹 , 勝山しおり , 新井 美紀 , 大瀧 瑞穂 , 長谷川拓実 , 下田佳央莉 , 外里冨佐江

１ 群馬県前橋市昭和町3-39-22 群馬大学大学院保 学研究科 ２ 群馬県前橋市大友町3-26-8 老年病研究所附属病院 ３ 栃木県足利市五十部町284-1 足利赤十字病院 ４ 新潟県新発田市荒町甲1611-8 豊浦病院 ５ 栃木県宇都宮市御幸ヶ原町43-2 宇都宮リハビリテーション病院 ６ 群馬県太田市高林西町617-1 群馬県立がんセンター 要 旨 目 的：メンタルローテーション課題遂行時に, 視線計測装置を用い, MR 課題時の MR 反応時間と利き眼間での注視回 数・部位の関係について検討することを目的とした. 方 法： 常大学生 12名, 男性 5名, 女性 7名 (平 年齢 21.3±1.7歳), うち右利き眼 5名, 左利き眼 7名であった. アイ マークレコーダーを装着し,手の写真から右手,左手を判断するメンタルローテーション課題を行い,その反応時間,視線の 注視回数, 部位を記録した. 結 果：左利き眼者は右利眼者に比べ反応時間が短く注視回数も少なかった. MR 反応時間と各部位の合計注視回数で相 関が認められ, MR 反応時間が速いほど注視回数は少なかった. 部位別に見ると, 利き眼によって見ている箇所に大きな差 はなかった. Visual analogue scaleにおいて, 難易度・疲労度と MR 反応時間・利き眼では相関は認められなかった.

察：物の視覚認知では, 利き眼が大きく影響しており, 利き眼間で差が出るのは視覚入力ではなく脳内での視覚情報の 処理過程にあることが示唆された. はじめに メンタルローテーション (Mental Rotation,以下 MR)と は, 3次元空間の中で回転提示された図形や文字を心的に 回転させ, それが何であるかの同定や, 比較刺激と同一で あるかどうかを判断することである. Shepardら や Se-kiyama によって, 視覚情報に基づいて身体表象を想起す る能力を評価する指標であると定義されている. MR に関する研究として, 川道ら は脳磁図 (Magneto-encephalography, MEG) を用いた研究で, 文字画像を用い て刺激を提示すると, 刺激を与えた視野と対側の後頭葉か ら, 左上側頭葉, 上頭頂葉を経由し運動前野, 運動野にいた る経路で脳内神経活動が起こることを報告している. 兒玉 ら は脳の三次元画像表示法を用い, MR 課題遂行時にお ける脳内神経活動の空間的解析を行った結果, 前頭前野, 運動野, 運動前野, 前帯状回に活動を認めた. さらに, 菊池 の報告によると右利き手者を対象として身体画像を用いた 課題において, 左半球優位の神経活動が得られ, 視覚情報 が後頭葉から頭頂連合野, 運動前野など前頭葉に至る経路 が賦活していた. 眼に関して, 眼には利き眼, 非利き眼が存在する. 利き眼 とは中心視野で視覚情報を中枢神経に他方の眼より優位に 文献情報 キーワード： メンタルローテーション, 視覚, 利き眼, 注視 投稿履歴： 受付 平成27年５月７日 修正 平成27年５月27日 採択 平成27年６月４日 論文別刷請求先： 外里冨佐江 〒371-8514 群馬県前橋市昭和町3-39-22 群馬大学大学院保 学研究科 電話：027-220-8955 E-mail:fusae＠gunma-u.ac.jp

資 料

処理される眼 であり, このことは眼優位性とも言われて いる. 機能的核磁気共鳴画像法 (functional magnetic reso-nance imaging,fMRI) を用いた研究 によると,非利き眼に 対し利き眼では, 視覚入力に応答する後頭葉の面積が広範 であるとされている. 先行研究 では, MR 課題遂行時の性差, 利き手, 利き眼 における反応時間の関係の検討がなされてきた. 特に利き 眼に関して, 右利き眼より左利き眼の方が, 有意に反応時 間が短縮し, 誤答回数も少ないことが示された. このように MR 課題を用いた研究では, 刺激視野とその 対側の脳神経活動について報告されている. 利き眼に関し ては, 非利き眼に比べ視覚入力に応答する後頭葉の面積が 広範であり, 左利き眼では MR 課題遂行時に利き眼の影響 があることが報告されている.しかし,MR 課題の提示され た回転画像のどこを注視しているか, 回転した身体画像の どの部位を手がかりにして被験者が判断しているか, さら に判断する部位, 反応時間に利き眼による違いがあるかど うかはいまだ明らかにされていない. 現在リハビリテーション 野において, MR を用いた研 究や治療の介入手段としての可能性, 臨床への応用が進め られている. したがって,MR 画像の提示画像の注視部位,判断するた めの手がかり, 利き眼による判断の違いなどが明らかにな れば, 今後, 脳血管障害, 骨関節疾患のリハビリテーション に臨床応用が可能となる. そこで, 本研究では, 提示画像に手の回転画像を用い, 手 のどの部位を注視しているのか特定し, 視線を注視した回 数, 回答までの反応時間, 回答するための手がかり, 利き眼 の関係について検討することを目的とした. 研究方法 １．対象 A 大学に所属する 常な大学生 40名のうち, 各種利き 手および利き眼の判定結果が一致した 12名を 析対象と した. うち男性 5名, 女性 7名, 平 年齢 21.3±1.7歳 (18 ∼24歳) であった. 被験者の利き眼は, 右利き眼者 5名, 左 利き眼者 7名であった. 以下の手順にて被験者を募った. 1) 本研究は群馬大学医学部疫学研究に関する倫理審査 委員会の承認を得たのち (承認 No.25-14), A 大学 B専攻 1∼ 4年生へ授業と関連しない昼休みに, 協 力依頼の書類を掲示し被験者を募った. 2) 研究の説明はプライバシーが保て, 静かで落ち着け る個室にて, 文書及び口頭にて行った. 3) 研究の参加は自由意志に基づくこと, 研究不参加に おいて全くの不利益が生じないことを伝え参加の意 思を確認した. そのうえで, 同意の得られた被験者 は 40名であった. 4) 同意した後でも同意を撤回できること, 撤回しても 被験者が不利益を被ることがないことを説明した. 5) 身体特に上肢に疼痛を有する場合, 罹患側の MR 反 応時間の成績に影響してしまうため, 身体の一部に 疼痛を有する者は除外する基準を設けていたが, 該 当する者はいなかった. ２．利き手及び利き眼の判定 エディンバラ利き手テスト, H.N.利き手テスト, chap-man 利き手テスト による結果がすべて一致した側の手 を, その被験者の利き手と判定した. 利き眼は, はじめに矯 正視力による視力検査を行い, 明らかな視覚障害がないの 利き眼の MR 反応時間への影響 表１ 被験者の特性と検査結果 (利き眼, MR 反応時間, 合計注視回数, 主観的難易度, 主観的疲労度, 判断の手がかり) 被験者 年齢 利き眼 利き手 MR 反応時間_(sec) 合計注視回数_(回) 主家的難易度_(mm) 主観的疲労度_(mm) 手掛かり a 22 右 右 1.16 59 23.9 55.4 拇指 b 21 右 右 1.93 104 29.3 39.3 拇指 c 22 右 左 1.51 54 48.5 59.3 拇指 d 20 右 右 1.58 90 70.1 38.5 拇指 e 24 右 右 1.01 26 64.7 57.8 拇指 f 21 左 右 0.88 64 32.3 62.4 手全体 g 22 左 左 1.22 55 17.7 0.62 拇指と示指 h 18 左 右 1.09 47 76.2 25.4 拇指 i 20 左 左 1.51 71 63.1 54.7 拇指先端 j 19 左 右 1.39 36 70.8 21.6 自らの手と比較 k 22 左 右 1.00 37 10.8 10.8 拇指 l 24 左 左 1.28 58 49.3 50.1 拇指 平 (標準偏差) 1.3 (0.29) 58.4 (21.3) 46.4 (21.9) 39.7 (19.8) 右利き眼平 (標準偏差) 1.44 (0.32) 66.60 (27.61) 47.30 (18.42) 50.06 (9.20) 左利き眼平 (標準偏差) 1.20 (0.20) 52.57 (12.27) 45.74 (24.08) 32.23 (21.88)

いている Hole in card test, ローゼンバッハ法, あき法, Mills法, 小沼法の 5種全ての検査結果が一致した側の眼 を利き眼と判定した (表 1). ３．測定方法 １）測定期間 平成 25年 6月 3日から同年 6月 21日までの間の 9 日 間で行った. ２）測定環境 測定は, 日中, A 大学の室内にて行った. 室内の照明は PC のスクリーンの映像が見やすい照度に設定し, 周囲 の雑音が聞こえないよう配慮した. 被験者は背もたれ付 きの椅子に座り顎台に顎をのせてもらい, 約 50 cm離れ た目線の高さにノート型 PC (DELL 社製 Vostoro 3750 17.3インチ) を設置した. 視線計測装置として, アイマー クレコーダー (EMR-9:nac Image technology社製) を用 い, 装着した後, 初期補正を行った. 視野角は 44°で, 視野 カメラの性能は 60 Hzであった.

３）MR 課題

MR 課題は Windows Visual Studio 2010 を用い,独自 にプログラムしたソフトにより実施した. ディスプレイには右手, 左手の手背面, 手掌面がそれ ぞれ 0°,90°,180°,270°の写真を 16枚,それぞれ 2回ずつ, 計 32枚をランダムに提示した. 被験者には写真が表示 されたら出来るだけ速く正確に 右手 , 左手 かを PC のキーボタンを利き手で押して回答するものであった. MR 課題中は被験者にディスプレイから目をそらさな いように指示し, 実際に手を回転させて回答することは 認めず, 非利き手は膝の上に手背側が上になるようにの せた.MR 課題の始まりは,被験者の任意のタイミングで Enter を押して開始され, 回答ボタンを押すと次の写 真が表示された. 測定前に, 被験者が練習問題を正確に実施できるか確 認したのち MR 課題を実施した. 本研究では, MR 課題 において, 写真が表示されてから回答するまでに要した 時間 (sec) を MR 反応時間と定義した. ４）課題遂行後アンケート MR 課題遂行後,主観的な難易度,疲労度が反応時間に 影響するか, また, アイマークレコーダーにより計測さ れた注視部位と被験者が MR 課題遂行時に左右判別の 手がかりとした場所についてアンケート調査を行った. MR 課題遂行時における難易度, 疲労度につ い て は Visual analogue scale (以下 VAS) を用いて回答し てもらった. VASは, 全長 100 mmであり, 0 mmを「疲 労していない」「難しくない」とし,100 mmを「疲労して いる」「難しい」とした.左右判別の手がかりについては 自由記載にて回答を求めた. ①視線計測装置による注視回数の集計 アイマークレコーダーで計測したデータは, 解析ソフ ト EMR-dfactory version 2.7.0 (nac Image technology社 製) を用い, 注視回数を集計した. 注視回数は注視した場所に 0.1秒以上の視線停留が あった場合に注視回数が 1回あったとカウントした. ま た注視回数を部位ごとに算出するために, 次の 12箇所 (①拇指先端②拇指基節部③拇指示指間水かき④示指先 端⑤示指基節部⑥示指中指間水かき⑦中指先端⑧中指基 節部⑨尺側縁⑩手掌面 背手面 手関節) に けて集計 した (図 1). ②統計処理 IBM SPSS Statistics 21を 用し MR 反応時間と注視 回数, MR 反応時間と VASにおいて Pearsonの積率相 関係数を用いて 析した. 統計学的有意水準は 1％とし た. 結果 １．対象者の基本属性と検査結果 (表 1) 40名の被験者のうち, 利き手検査及び利き眼検査それぞ れにおいて, 結果がすべて右か左に一致したものは 12名 となった. 被験者 a∼ eは右利き眼者で, f∼ lは左利き眼者であ る. MR 反応時間の平 は右利き眼者よりも左利き眼者のほ うが, 早い傾向があり, 手の部位を見る合計の注視回数も 図１ 注視部位 :手掌面⑩, 手背面

少ない傾向にあった. VAS を用いた主観的難易度の平 値は, 右利き眼者は 47.30±18.42 mm,左利き眼者は 45.74±24.08 mmであった. 疲労度の平 値は右効き眼者 50.06±9.20 mm, 左利き眼者 は 32.23±21.88 mmであった. 右手か左手かを判断した手 がかりは, 全体の 10名 (83％) が拇指と回答した. ２．利き眼による手の部位と注視回数の差 図 1のように けた部位ごとの注視部位と回数の結果を 図 2に示す. 注視回数は手掌面と手背面の合計数である. 各部位の注視回数は拇指先端 (右利き眼者 16.2±12.35 回, 左利き眼者 11.1±6.22回), 示指基節部 (右利き眼者 10±6.20回, 左利き眼者 10.6±2.77回) の順で注視回数が 多かった. 拇指と示指の指と示指基節部が他の部位に比べて, 注視 する回数が多かった.しかし,左利き眼者 (52.57±12.17回) のほうが右利き眼者 (66.60±27.61回) に比べて各部位の 合計した注視回数は少なかった. ３．MR 反応時間と注視回数の相関関係 (図 3) 被験者 12名の MR 反応時間と注視回数の Pearsonの積 率相関の結果を図 3に示す. MR 反応時間と各部位の合計 注視回数で相関が認められ, 利き眼にかかわらず MR 反応 時間が速ければ速いほど, 注視回数は少なかった (r＝ ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ 右利き眼者 (n＝5) 16.2 9.4 8.6 2.6 10 1 2.2 5.4 2.8 5.8 2.6 左利き眼者 (n＝7) 11.1 3.1 5.9 1.4 10.6 5.4 1.4 6.4 0.9 6.0 0.3 図２ 注視部位と注視回数 (単位 :回) 図３ MR 反応時間と注視回数 利き眼の MR 反応時間への影響

４．MR 反応時間と難易度・疲労度との比較 難易度と MR 反応時間および利き眼 (r＝0.164), 疲労度 と MR 反応時間および利き眼 (r＝0.039,p＜0.01)には相関 が認められなかった. 察 本研究では,MR 課題に手の画像を用いて,画像の注視部 位, 注視回数を計測し, MR 反応時間と利き眼間で検討し た. 本研究の図 3より, MR 反応時間と各部位の合計注視回 数で相関が認められ (r＝0.772,p＜0.01),MR 反応時間と注 視回数の関係は MR 反応時間が速いと注視回数が少なく, 効率よく画像を認識していた. また表 1より, 利き眼者間 では,統計的に有意な差はないが,MR 反応時間の平 値は 右利き眼者で 1.44±0.32 sec, 左利き眼者で 1.20±0.20 sec であり, 右利き眼者に比べ左利き眼者で MR 反応時間が速 かった. 人がある物を認知するためには適切な視線停留が 必要である. 桂ら の研究によると, 転倒高齢者と非転 倒高齢者では, 転倒高齢者は非転倒高齢者に比べ必要以上 に認知のために視線を動かすことで, 視線が十 に停留す ることが出来ていないと報告している. これらのことから, 対象を適切に認知するためには手がかりとなる場所に眼を 向けて視線停留する必要がある.本研究から,MR 反応時間 が速いほど注視回数が少ないという結果が得られた. つま り, 注視回数を少なくして効率よく画像を捉え, 結果とし て MR 反応時間が速くなったと えられる. 筆者らは, 本研究の MR 課題では, 利き眼者間で提示画 像の注視部位に違いが生じるのではないかと予想してい た. しかし図 2から利き眼によって注視する部位に大きな 差は見られなかった. 難易度, 疲労度においても差はほと んどなかった. 左利き眼者と右利き眼者では判断する際の 注視部位に大きな違いがなく, 主観的難易度も同様の結果 であった. むしろ左利き眼者の方が疲労度が少なかった. さらに左利き眼者では右利き眼者に比べて, MR 反応時間 が速く注視回数が少なかった. 以上のことは, 左利き眼者は右利き眼者に比べ対象物を 効率的にとらえていることを示唆する. 一般的に, 知覚―認知の情報処理は, 視る対象の形状を 把握するために視覚皮質に局在化しているそれぞれの処理 機能を持った視覚領野で並列, 独立に処理が行われ, 対象 を認識していると いわれている. 市場 は視覚認知の優 位視野には利き眼が関与していると報告している. 原ら は, 利き眼による大脳の側性が関与していると示唆してい る. つまり, 脳内での高次機能を伴う視覚情報処理の機構 上の違いが, 視る対象を認識するために要する時間に影響 するものと えられる. 利き眼者間での MR 反応時間に違 脳内処理される過程にあるのではないかと える. 本研究の限界として, 該当する被験者数が少なく統計処 理を十 におこなうことができなかったこと, 被験者が 常な大学生に限定されていたことが挙げられる. 本研究で 用した機器は視線計測装置であり, 中心視野に焦点を当 てている. そのため周辺視野については 慮されていない ことである. 今後は, 被験者数を増やすこと, 異なった年齢 層や注意障害, 半側空間無視などの高次脳機能障害を呈す る者も対象とすること, 周辺視野についても併せて検討す ることも必要であると える. 今後の展望として, 以下のことがあげられる. 本研究より, 特定の部位への適切な注視が物の認知に重 要であることから, リハビリテーションで歩行や ADL 訓 練場面の転倒リスクが えられる場所に注視を促す目印を 付けること, 右利き眼の対象者には意識的に視覚情報を しっかりと認知するような工夫をするなどである. 物の認知に関与しているのは視線停留だけではない. 山 中ら の実験によると, 人はサッカード運動を行うことで 物の全体を捉え, 注意資源をうまく 配している. 加えて, 情報処理を行う際に重要な役割を果たす有効視野 (注視点 やその周辺で認知に寄与する部 ) も作用させている. 今 後は有効視野や, サッカードの測定, 視線と脳活動の関係 も明らかにしながら, MR 課題遂行時の眼球運動の特性と 利き眼との関係についての研究, さらには, 本研究の表 1, 図 2より手の左右を判別するためにほとんどが拇指を見て いるため, 拇指が無い状況においての眼球運動の変化を測 定する研究が必要であろう. 文献

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Examination Using the Eye M ark Recorder

Kazuki Kitazawa , Shiori Katsuyama , Miki Arai , Mizuho Otaki ,

Takumi Hasegawa , Kaori Shimoda and Fusae Tozato

1 Gunma University Graduate School of Health Sciences, 3-39-22 Showa-machi, Maebashi, Gunma 371-8514, Japan 2 Geriatrics Research Institute and Hospital, 3-26-8 Otomo-machi, Gunma 371-0847, Japan

3 Japanese Red Cross Ashikaga Hospital, 284-1 Yobe-machi, Tochigi 326-0843, Japan 4 Toyoura Hospital, 1611-8 Ara-machi, Shibata, Niigata 959-2311, Japan

5 Utsunomiya Rehabilitation Hospital, 43-2 Miyukigahara-machi, Utsunomiya, Tochigi 321-0982, Japan 6 Gunma Prefectural Cancer Center, 617-1 Takabayashinishi-machi, Ota, Gunma 373-8550, Japan

Abstract

Objective: To examine relationships among the reaction time, dominant eye, and number of gazes/target region when performing a mental rotation task.

M ethods: A total of 12 (5 males and 7 females;mean age:21.3±1.7)healthy university students,5 and 7 of whom were right-and left-eye dominant,respectively,performed a mental rotation task,and their reaction times,numbers of gazes, and target regions were recorded using an eye-mark recorder. During the task, an image of a hand was presented, and the students inferred the side of the hand from it.

Results: The reaction time was shorter and number of gazes was lower in the left-compared to right-eye dominant group. The reaction time was correlated with the total number of gazes in each target region;the lower the number of gazes,the shorter the reaction time. There were no marked differences in the target region between the 2 groups. On analysis using the VAS, no correlation was observed between the difficulty/fatigue level and reaction time/ dominant eye.

Discussion: The dominant eye markedly influenced the visual recognition of objects, suggesting that visual information processing in the brain, rather than visual input, is responsible for differences between right-and left-eye dominant groups.

Key words: mental rotation, sight,

dominant eye, gaze