Reference frames reverse biases in human heading perception

私たちが世界の中を移動するとき、私たちの目は単に静止した画像を見ているのではありません。オプティックフローとして知られる、視覚情報の奔流を見ています。列車がホームから走り去っていく様子を想像してみてください。線路や駅の壁が、目の前の一点から外側に向かって流れていくように見えます。この視覚的なパターンは、私たちの脳がどの方向に進んでいるかを判断するために用いる主要な手がかりであり、科学者はこれを「ヘディング（進行方向）」と呼んでいます。数十年にわたり、研究者たちは脳がどのようにしてこの方向を計算しているのかを正確に解明しようと試みてきましたが、混乱を極める壁に突き当たってきました。ある実験では、人々が自分の進行方向を推測するとき、まるで内側に引き寄せられるかのように、中心に向かってわずかに偏る傾向があることが示唆されました。しかし、異なる設定を用いた別の実験では、その逆の結果が出ました。人々は中心から遠ざかるように、外側へと押し出されるように見えるのです。この矛盾により、科学者たちは、脳が単に信頼できないのか、それとも実験のデザイン自体が参加者を欺いているのではないかと疑問を抱いてきました。

マルブルク大学のレナーテ・ライゼンネガー率いる研究チームは、今、この数十年来の謎に対する解決策を提示しています。彼らは、脳が一貫性を欠いているのではなく、むしろ、その人の進行方向の報告方法がどのように求められるかに完全に依存しているのだと主張しています。学術誌の最新号に掲載されたこの研究は、私たちがどのような精神的な視点を採用するか――つまり、自分自身の視点から移動を考えるのか、あるいは、切り離された地図のような視点から考えるのか――によって、エラーの方向が根本的に変わることを明らかにしました。同じ人々に対し、全く同じ視覚シーンを用いながら、二通りの異なる方法で答えさせることで、研究者たちは、ルールの変更だけで脳が内側に引き寄せられたり外側に押し出されたりすることを証明したのです。

この考えを検証するため、チームは、視聴者を包み込むような巨大で湾曲したスクリーンを使用し、約224度の視野をカバーするユニークな実験装置を構築しました。この「境界のない」ディスプレイにより、参加者は、視覚的な境界に気を取られることなく、動くドットで作られた平坦な地面の上を歩いているような、没入感のある幅広いシミュレーションを見ることができました。研究の第一段階では、37人のボランティアが、この自己運動の短いクリップを視聴し、自分がどこに向かっていると考えているかを報告しました。研究者たちは、このタスクを二つの明確なモードに分けました。一つ目のモードは「エゴセントリック（自己中心型）」条件で、参加者は自分自身の視点から方向を報告し、自分の目に見える範囲を表す水平線上の点を示しました。二つ目のモードは「アロセントリック（客観的／配置中心型）」条件で、参加者は鳥のように上空から見下ろしている様子を想像し、円弧または全円上の点に自分の方向を示すよう求められました。

結果は驚くほど明白でした。参加者が自分自身の視点から報告する場合、彼らの推測は一貫して正面の方向へと漂いました。もし実際にわずかに左へ移動していたとしても、彼らはさらに中心に近い方向へと報告しました。これは「求心的なバイアス」として知られています。しかし、全く同じ人々が「鳥の目」の視点に切り替え、アロセントリックな枠組みで報告すると、バイアスは完全に反転しました。今度は、彼らの推測は中心から遠ざかりました。もし左へ移動していれば、彼らはさらに左へと遠ざかる方向を報告したのです。この「遠心的なバイアス」は、視覚刺激が同一であり、回答の範囲も両者で同じであったにもかかわらず現れました。研究者たちは、以前の理論で示唆されていたように、回答範囲の大きさが原因であるかどうかをテストしましたが、円のサイズを変更してもバイアスの方向は変わらないことが分かりました。重要なのは、参照フレーム（枠組み）そのものでした。

この切り替えの間に脳内で何が起きているのかを理解するために、チームは21人の異なるボランティアを用いた第二の実験を行いました。今回は標準的なコンピュータモニターを使用し、脳波計（EEG）を用いて、頭皮上の電気信号を測定することで参加者の脳活動を記録しました。参加者は同じ動くドットを視聴しましたが、方向を指し示す代わりに、記憶している進行方向の左または右に短いフラッシュが現れたかどうかを素早く判断しなければなりませんでした。決定的なことに、各試行の前に、自分の視点を使うのか、あるいは鳥の目視点を使うのかを伝えるキュー（合図）が表示されました。研究者たちは、キューが出てから回答するまでの、脳が視覚情報を変換する準備をしている瞬間に注目しました。

脳スキャンは、タスクに応じて明確な違いがあることを明らかにしました。参加者が鳥の目視点で回答する準備をするとき、彼らの脳は、後頭部や頭頂部において、シータ波およびアルファ波の周波数帯域で有意な律動的な電気活動を示しました。この活動パターンは、後頭頂皮質や海馬など、ナビゲーションや空間記憶に関与する脳領域としばしば関連しています。対照的に、自分の視点から回答する準備をするときには、この余剰な活動は見られませんでした。これは、脳が自己中心的な視点から世界中心の地図へと切り替えるために必要な「精神的な体操」を行うには、より多くの働きが必要であることを示唆しており、この追加の処理ステップこそが、外側へのバイアスを生じさせている可能性が高いと考えられます。

最後に、研究者たちは、感覚情報と過去の期待を脳がどのように組み合わせるかに基づくコンピュータモデルを用いて、これらの知見を説明しました。モデルによれば、脳の内部にある「マップ」は、タスクに応じて変化します。人々が自分自身の視点から移動を考えるとき、彼らは今見た特定の動きの範囲に強く依存するため、推測が中心へと引き寄せられます。しかし、鳥の目視点に切り替えると、脳はより広く平坦な期待を採用し、全円にわたってあらゆる方向に移動が起こり得ると想定するようです。この期待の変化が、脳の正面方向に対する自然な感受性と組み合わさることで、外側への押し出しが生じます。研究は、進行方向の研究の歴史における矛盾した結果は、人間の知覚の欠陥によるものではなく、異なる実験が知らずのうちに脳に対して二つの異なる座標系で問題を解くよう求めていたことによるものだと結論付けています。参照フレーム自体がバイアスを駆動していることを認識することで、チームは視覚科学における長年の謎を解明しました。これは、問い方を変えるだけで、脳が導き出す答えが根本的に変わってしまうことを示しています。