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認知能力を向上させるシステム構築のための視界遮蔽による瞳孔散大と流動性知能の関係調査
京極太一1,a)土田修平2,b)

寺田 努1,c)

塚本昌彦1,d)

概要：近年，情報技術を用いて人間の身体能力の補完や新しい身体感覚の付与，知覚や認知能力の向上を目的とする人間拡張研究が盛んである．人間拡張技術を活用した認知能力の向上により，個人の作業効率の向上が期待できる．本研究では，認知能力の一つである流動性知能について着目した．既存の研究では，瞳孔径が大きい人ほど認知能力が高い傾向にあることや，流動性知能が高い人ほど推論課題に取り組む際の瞳孔散大が大きいといった，認知能力と瞳孔径の間に関係性があると示唆された．しかし，瞳孔径と認知能力の比較は被験者間で行われており，個人内での瞳孔径が変化したときに認知能力が変動するのかどうかについては調査されてこなかった．そこで本研究では，「瞳孔を散大させることで認知能力は向上する」という仮説を立て，個人内での瞳孔径と認知能力の変動を評価することで仮説を検証した．この仮説を検証できれば，外部刺激により瞳孔径を制御し，瞳孔散大を誘発することで認知能力を向上させる人間拡張システムの開発につながる可能性がある．実験では，片目を覆うことで左右の瞳孔が散大するかの検証を行い，その状態で流動性知能を測定するタスクを行って評価し，仮説の検証を行った．実験結果より，片目を黒色の紙で覆い，瞳孔が散大した場合に流動性知能は向上したと考えられる．

1. はじめにざまな問題が存在している．脳と比べて刺激を付与しやすい感覚器官を介して認知能力を向上させる手法は，これら

人間拡張研究では，情報技術を用いて身体能力や認知能問題を一部解決する可能性があるが，まだ十分に調査され力の拡張を試みている．身体能力の補完や拡張，新しい感ていない．感覚器官の一つである瞳に着目した研究も行わ

覚獲得の試みとして，モータ搭載型のロボット義足 [1] や無れており，Tsukahara ら [7] の研究では，瞳孔径と認知能

人航空機を身体動作で制御することで新たな視覚体験を提力の比較は被験者間では行われているが，個人内での瞳孔供する Flying Head [2]，そして仮想現実空間での触覚体験径が変化したときに認知能力が変動するのかどうかについを拡張する方法 [3] などの研究が行われている．また，認てはこれまで調査されてこなかった．また，Suzuki ら [8]知能力の向上を目指した研究も進められており，脳にチッの研究によると，瞳孔径は人間の精神状態に左右され，ひプを埋め込んで神経細胞を刺激し脳に入る情報を長期記憶らめきを生じる際に瞳孔散大が起きるだけでなく，ひらめさせるデバイス [4] の開発や，脳と AI を接続する埋め込みきに先立って瞳孔散大が起こると明らかにした．ここで筆型チップ Link [5] の開発が行われている．このように，人者らは，ひらめきが認知能力の一部に関連していることか間拡張技術を活用した認知能力の向上により，個人の作業ら，瞳孔を散大させることは認知能力に影響を与える可能効率の向上が期待できる．

性があると予想し，瞳孔散大の誘発により認知能力を向上

しかし，認知能力の向上を目指した研究の多くが脳の分させられる技術を創出できるのではないかと考えた．

析や制御に重きを置いており，Vlek ら [6] が述べたように

そこで本研究では，個人内での瞳孔径と認知能力の変動

倫理的な課題やシステム規模の大きさなど，実装にはさまを評価することで，「瞳孔を散大させることで認知能力は向上する」という仮説を提案し，検証する．認知能力は「流12a)b)c)d)

神戸大学大学院工学研究科
Grad. School of Engineering, Kobe University
お茶の水女子大学 文理融合 AI・データサイエンスセンター
Ochanomizu University, Center for Interdisciplinary AI andData Sciencetaich-kyogoku@stu.kobe-u.ac.jp
tsuchida.shuhei@ocha.ac.jp
tsutomu@eedept.kobe-u.ac.jp
tuka@kobe-u.ac.jp© 2024 Information Processing Society of Japan動性知能」，「作業記憶能力」，「注意制御能力」の三つに大別される [9]．本研究はその中でも，未体験の状況下で，後天的に蓄えられる知識では解決できない新しい問題を推論する能力である流動性知能に着目する．実験では，片方の視界を覆うことで左右の瞳孔が散大するかの検証を行い，1444

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その状態での流動性知能を測定するタスクを行う．実験結特性から Sato ら [14] は，点滅する光を見つめた際に瞳孔果をもとに，片方の視界を覆う手法による瞳孔散大への有径が変動する対光反射を利用した意思伝達システムを提案

効性および瞳孔散大時の流動性知能の変動を調査する．提した．Tsukahara ら [7] は，瞳孔径と認知能力には密接な案した仮説を検証できれば，外部刺激により瞳孔径を制御関係があると示唆した．この研究では，流動性知能，作業し，瞳孔散大の誘発により認知能力を向上させる人間拡張

記憶能力，注意制御能力の三つの認知能力と瞳孔径には相システムを実現できると考える．

関関係がみられ，瞳孔径が大きい人ほど認知能力が全体的2. 関連研究に高い傾向があると述べている．また，個人間の瞳孔径の違いと認知能力の違いについて議論した研究も存在する．

人間の能力を向上させる研究については，いくつかの研Meer ら [15] は，流動性知能と瞳孔径の関係について，流究がある．まず，認知能力を向上させる手法に関する研究

動性知能が高い人は高レベルの幾何学的推論課題を速く正について議論を行い，筆者らの提唱する手法の前提を述べ確に処理し，その際に瞳孔散大が見られたと明らかにした．

る．次に，瞳孔径と関係のある事象の先行研究を参照する

このように，瞳孔径を脳や感情，認知能力の指標としたことで，本研究で提唱する仮説について説明し，研究目的研究は数多く行われており，瞳孔径と認知能力の比較はを定める．

個々の被験者間で行われてきた．しかし，個人内での瞳孔径と認知能力の変動について調査されておらず，個人内で2.1 認知能力の向上に関する研究の瞳孔径の変動が脳や感情，認知能力へ作用する影響を考

人間の認知能力を向上させる目的で，テクノロジに頼ら慮していない．そこで，本研究では瞳孔径に着目し，「瞳孔ない手法を用いた研究も数多くある．特に多く見られる手を散大させることで認知能力は向上する」という仮説を立法が急性的な運動や一過性運動である．Labban ら [10] は，て，認知能力の向上を図る．

記憶課題に対する運動のタイミングを検証した．この研究
では，記憶課題の前に運動するグループ，記憶課題の後に3. 提案手法

運動するグループ，運動しないグループに被験者を割り当片方の視界を黒色や白色で覆うことで，瞳孔径の変動がて，記憶力を評価した．その結果，記憶課題の前に運動す起きるのか確かめるための予備調査を行った．被験者は 20るグループは他のグループと比較して記憶のパフォーマン代の男性 11 名，女性 1 名であり，黒色または白色の紙でスが有意に高く，記憶課題に対する運動のタイミングがこ片目や両目を覆った場合，および何も覆わない場合での瞳の効果に影響を与える可能性が示された．また，Masley

孔径を計測した．

ら [11] は，身体活動による認知能力の低下防止を明らかにした．10 週間の実験期間中に有酸素運動を行った被験者の3.1 瞳孔径の制御

流動性知能は有意な改善を示し，期間を設けた継続的な運筆者らはこれまで，暗所環境，通常の照明環境，強い照明動と認知能力向上の関連性が示された．しかし，これらの環境からなる三つの照明環境によって瞳孔を変動させた際手法は実際の運動が必要であり，認知能力を向上させるたの，認知能力について調査した [16]．その結果，暗所環境めに，逐一運動を行うのは現実的ではないと考える．そこで瞳孔が散大したとき，認知能力の中でも流動性知能が向で本研究は，システム側からの働きかけのみで認知能力の上したため，本研究では流動性知能のみに着目する．しか向上を試みる．

し，この研究では瞳孔径を変動させる要因として照明環境を用いたが，瞳孔径変動の影響ではなく照明環境の変動自2.2 瞳孔径と認知の関連性に関する研究

体が流動性知能の向上の要因となった可能性を否定できな瞳孔の大きさである瞳孔径を心理状態や認知能力の評価い．そのため，流動性知能の向上が瞳孔径の変動によるもの指標とした研究は数多くある．例えば，Suzuki ら [12]のだと判断できる瞳孔径制御手法を提案する必要がある．

は，脳内の神経回路が状態変化を起こすことで音声の聞こ手法の決定にあたり，以下の先行研究を参考にした．

え方が変化する頻度と，瞳孔径には関係があると明らかに

Meissner ら [17] の研究では，瞳孔径の自己制御により脳した．この研究では，瞳孔径が大きいときに音の聞こえ方の覚醒度を自発的に調整できると明らかにした．この研究が変化した回数が多かったことや，瞳孔径と知覚交替の相では，瞳孔径を制御することで自身の状態を変動させると関は数十秒持続することから，脳内の神経回路の変化を瞳いう点で，個人内での瞳孔径の変動による影響について考孔径から読み取れる可能性を示した．さらに，瞳孔径から慮できている．しかし，瞳孔径を制御する手法にはバイオ脳神経回路の情報が得られるならば，本人すら自覚していフィードバックを採用しており，実現可能性がトレーニンない精神状態の読み取りが可能だと提案している．また，

グに依存しているため，数日間の練習期間が必要であり，

Naber ら [13] は，輝度の異なる縞模様による視覚的な認不便であると考えた．そのため，システム側からの働きか知や注意の変化が瞳孔径に影響すると明らかにした．このけのみで認知能力の向上を試みる本研究ではこの手法は採© 2024 Information Processing Society of Japan1445

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記録部

片目を黒色紙で覆う

片目を白色紙で覆う

近赤外線カメラ
図 2

実験において瞳孔径を制御する手法

度数可変レンズ
図 1ウェアラブルアイトラッカ (Tobii Pro Glasses 2)

黒色紙
遮蔽(Black)

用しない．Liao ら [18] の研究では，左右が白と黒で分かれた画面を提示し，黒い画面が提示されている側の耳に音源を流して注意を向かせた場合，瞳孔が散大するという結果が得られた．また，Spring ら [19] は，左右どちらかの瞳

左目のみ(Left)

両目(Both)

右目のみ(Right)

左目のみ

両目

右目のみ

白色紙
遮蔽(White)

孔に対する光刺激が両方の瞳孔径に等しく作用することを明らかにした．そこで，本研究では片方の視界を黒色や白色で覆うことで，覆った側の瞳孔径だけでなくもう片方の瞳孔径も変動させる手法を用いる．この手法では，他の阻何も覆わない(None)

図 3

瞳を覆うパターン

害要因なく瞳孔を散大させられると考えた．この手法は将来ウェアラブルデバイス化も可能である．

降，図表中で左目のみを覆う場合を Left，両目を覆う場合
を Both，右目を覆う場合を Right とする．また，視界を黒3.2 予備実験

色の紙で覆う場合を Black，白色の紙で覆う場合を White，3.2.1 測定機器

何も覆わない場合を None とする．

被験者の瞳孔径を測定するために図 1 に示すウェアラブ

3.2.3 結果と考察

ルアイトラッカ (Tobii Pro Glasses 2) を用いた．近赤外線

まず，遮蔽の左右差と明暗の効果について明らかにカメラによって瞳孔と周囲の虹彩を識別でき，グラスの蔓するために，視界を遮蔽した場合の左右瞳孔径の平均から被験者の背後を通って記録部に接続して，約 0.02 秒値を図 4 に示す．左右瞳孔径の平均値に対して，Left，に 1 回の時間分解能でデータを記録した．レンズ部は度数

Both，Right からなる 3 通りの左右遮蔽条件と，Black，調節が可能であり，被験者が眼鏡を着用していた場合は適White からなる 2 通りの明暗遮蔽条件の 2 要因で参加した度数のレンズを，コンタクトレンズによる視力矯正を者内分散分析を行った結果，左右遮蔽条件の主効果に行っている被験者もしくは裸眼でも十分な視力である被有意差があり (F(2,11)=65.54, p<.01)，明暗遮蔽条件の験者には度の入っていないレンズを装着した．デバイスの主効果にも有意差があった (F(1,11)=79.96, p<.01)．ま

制御には，同社のコントロールソフト (Tobii Pro Glasses

た ，2 要 因 の 交 互 作 用 は 有 意 で あ っ た (F(2,11)=36.20,Controller) を用いて，実験中の瞳孔径を計測した．

p<.01)．単純主効果の検定を行ったところ，視界を黒色

3.2.2 実験内容の紙で覆った場合における左右遮蔽条件 (F(2,22)=83.50,瞳孔径を制御する手法として，片方の視界を覆うこと

p<.01) および左目を遮蔽した場合における明暗遮蔽条件

で，覆った側の瞳だけでなくもう片方の瞳孔も変動させる(F(1,11)=14.70, p<.01)，両目を遮蔽した場合における明という手法を用いる．そのために，一方のレンズに黒色も暗遮蔽条件 (F(1,11)=71.17, p<.01)，右目を遮蔽した場合

しくは白色の紙を貼り付け，瞳孔を散大もしくは収縮させにおける明暗遮蔽条件 (F(1,11)=34.02, p<.01) の単純主効る．この手法を取り入れたデバイスの様子を図 2 に示す．

果が有意であった．そこで，Bonferroni 法を用いた多重比予備実験では，瞳孔径制御手法の効果検証として，黒色の較を行った結果，視界を黒色の紙で覆った場合において両紙で右目のみ，左目のみ，両目を覆う場合，Liao ら [18] の目を覆った場合は片目を覆った場合よりも有意に瞳孔が散研究での対比から同様に白色の紙で右目のみ，左目のみ，大した (MSe=0.0469, p<.05)．しかし，両目を遮蔽した場

両目を覆う場合，何も覆わない場合の計 7 通りの瞳孔径を合に瞳孔は有意に散大するが，十分な視界を確保できない右目と左目それぞれで同時に計測した．これらのパターンといえる．また，グラフから片目を黒色の紙で覆った場合を図 3 に示す．この効果検証で，視界の遮蔽および遮蔽のにおいて右目を覆った場合の方が瞳孔散大していることが明暗が瞳孔を散大させるか調査した．その際，一つ前の試読み取れる．そのため，以降では瞳孔径制御手法には右目行の影響が現れないように試行と試行には間隔を空け，かのみの明暗遮蔽条件 (Right) に限定する．

つ順序効果を考慮して試行順は被験者ごとに変更した．以© 2024 Information Processing Society of Japan

続いて，視界の遮蔽によって瞳孔径が平常時よりも散大1446

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図 6
図 4A

BCDEFGH

自作したレーヴン漸進的マトリックス課題の問題例

視界を遮蔽した場合の瞳孔径課題とは，流動性知能を非言語評価する非言語テストである．課題には Hampton[20] の IQ Test を用いた．この課題における例題を図 6 に示す．この例題は筆者らが Hamptonの IQ Test を参考に作成しており，実際のタスクには使われていない．問題は 9 マスに描かれた図形の集合に含まれる 2 個から 4 個の複数の規則を読み取り，空欄に当てはまる図形を 8 つの選択肢の中から一つ選ぶというタスクである．図 6 の例では，列ごとに左から右に移動するにつれて各図形の中心のオブジェクトの線の数が減少しているため，空欄の図形の中心のオブジェクトは三角形が推論でき
図 5

遮蔽の有無で比較した瞳孔径

る．中心のオブジェクトの色は白と黒が交互に配置されているため，空欄の図形の中心のオブジェクトは黒色と推論することを明らかにするために，右目を黒色の紙で覆ったできる．さらに，各図形の周囲の小さな黒い丸のオブジェ

場合と何も覆わない場合の左右瞳孔径の平均値を図 5 に示

クトは行ごとに上から下に移動するにつれて配置箇所がす．左右瞳孔径の平均値に対して，Black，None からなる時計回りに移動しているため，空欄の図形の周囲の小さな2 通りの遮蔽条件を要因とする t 検定を行った結果，右目黒い丸のオブジェクトは左上に配置されると推論できる．

を黒色の紙で覆った場合に何も覆わなかった場合よりも有よって，例題では三つの規則から G が正解となる．被験者

意に瞳孔が散大した (t(11)=8.6521, p<.01)．よって，視界にはこの問題を 1 回の試行あたり 5 問解答してもらった．の遮蔽によって瞳孔は散大し，遮蔽する色が黒色である場

問題は試行ごとに異なっており，5 問の難易度は可能な限合に瞳孔はより散大することがわかった．

り均一になるように調整した．被験者には 5 問 1 セットの4. 実験
同一の人物に対して「瞳孔を散大させることで認知能力が向上する」という仮説を検証するために，実験を行った．

問題を冊子にして渡し，順番に解答してもらった．問題は紙に印刷しており，被験者には問題や選択肢に対しての書き込みによる推論を許可した．スコアとして，問題ごとのラップタイムと問題の正答率を記録した．

3 章の予備調査で得られた結果をもとに，右目を黒色もしくは白色の紙で覆った場合および何も覆わない状態で認知4.2 実験方法

能力を測定するタスクを行い，認知能力が変動するか調査

実験の進行手順の概要を図 7 に示す．初めに，タスクのする．実験は予備調査と同一の 20 代の男性 11 名，女性 1

試行順による慣れを軽減するためにタスクの例を交えた十名で行った．なお，本実験は，神戸大学大学院工学研究科分な説明と練習を行った．認知能力の測定では，右目を黒における人を直接の対象とする研究倫理審査委員会の承認色で覆う，白色で覆う，何も覆わない場合の計 3 通りの瞳(承認番号 05-25) を得て行ったものである．

孔径制御状態で，順序効果を考慮してカウンタバランスがとれるよう順番を組み合わせて，認知能力が変動するか調4.1 実験タスク

査した．流動性知能を測定するレーヴン漸進的マトリック

認知能力の一つである流動性知能を測定するためのタス

ス課題は，3 セットの問題の試行順と対応する瞳の覆い方

クについて示す．流動性知能は演繹的推論や帰納的推論課がランダムとなるようにした．このタスクを行う際には，題によって測定され，本研究ではレーヴン漸進的マトリッ

瞳孔径を測定するためにアイトラッカを着用した状態でクス課題を用いて測定した．レーヴン漸進的マトリックス行った．

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果から，黒色の紙で片目を覆った場合，瞳孔は十分散大し，説明と練習

認知能力測定タスク試行順による慣れを軽減

問題への解答時間と正答率を測定• 何も覆わない• 右目 / 黒• 右目 / 白

例題1問＋練習問題4問• 問題セットA• 問題セットB• 問題セットC試行順ランダム
3試行

時間無制限

図 7

実験の進行手順の例

レーヴン漸進的マトリックス課題の解答にかかった時間は短くなったため，その際に流動性知能は向上したと考えられる．つまり，「瞳孔を散大させることで認知能力は向上する」という仮説が流動性知能に関して立証されたといえる．また，流動性知能タスクについて，片目を黒色の紙で覆った場合と白色の紙で覆った場合の間に有意差があったことから，片目を覆う行為そのものではなく，視界に黒色の紙が映り込み，瞳孔が散大したことが流動性知能向上の表 1

遮蔽条件ごとの流動性知能タスク正答率

BlackWhite

None

90.0 %

83.3 %

88.3 %

要因であると考えられる．そして，片目を黒色の紙で覆った場合と何も覆わなかった場合の間に有意差があったことから，視界を遮蔽するという制限を受けるにも関わらず，平常時よりも流動性知能が向上しており，この瞳孔散大手法が認知能力の向上に有用であると考えられる．

5. 今後の展望と議論
今後，瞳孔散大の誘発により認知能力を向上させる人間拡張システムの構築と評価を行う．使用時の空間的制約に囚われないために，眼鏡型ウェアラブルデバイスを想定する．システムを構築するにあたって，瞳孔散大手法には本研究と同様の片目を覆う手法を用いる．その上で，黒色の遮蔽物が認知タスクや瞳孔径の様子に応じて開閉するイン
図 8

遮蔽条件ごとの流動性知能タスク標準化解答時間

蔽物の開閉に関して，瞳孔が収縮する前に視界の確保を目

4.3 実験結果
流動性知能の変動について調査した．レーヴン漸進的マ
トリックス課題における問題ごとの難易度の差を考慮し，解答にかかった時間を問題ごとに Z 標準化した値を標準化解答時間と定義し，評価指標とした．標準化を行う数式を以下に示す．

(標準化解答時間) =タラクティブな機能の追加が考えられる．また，黒色の遮的とした瞬間的な開閉を行う機能を実装し，ユーザにとって外界の視認性がある上で瞳孔の散大を維持し，認知能力を向上させられるか確かめる実験が必要である．

6. まとめ本研究では，瞳孔径を外部からの刺激によって制御し，(解答時間) − (解答時間平均)(1)(解答時間標準偏差)

瞳孔散大を誘発することで，認知能力を向上させるシステ
ムの構築を目指し，「瞳孔を散大させることで認知能力はその際，表 1 に示した各遮蔽条件ごとの被験者の平均正答向上する」という仮説を検証した．瞳孔を散大させる手法

率を見ると，黒色の紙で片目を覆った場合が最も十分に正には，片方の視界を覆うことで，覆った側の瞳孔だけでな答しているため，問題の正答率は標準化に考慮しなかった．

くもう片方の瞳孔も変動させるという手法を用いた．実験

この標準化解答時間について，遮蔽条件ごとに和を求め，結果から，黒色の紙で片目を覆った場合に瞳孔は十分散大比較した結果を図 8 に示す．グラフから，黒色の紙で片目したといえる．さらに，黒色の紙で片目を覆った場合に白を覆った場合に標準化解答時間が短くなることがわかっ色の紙で覆った場合や何も覆わなかった場合よりも流動性た．また，標準化解答時間について，遮蔽条件を要因とす

知能測定タスクの解答にかかった時間は短くなったといえる 1 要因参加者内分散分析を行った結果，有意差があった

る．よって，片目を黒色の紙で覆い，瞳孔が散大した場合(F(2,22)=9.89, p<.01)．そこで，Bonferroni 法を用いた多に流動性知能は向上したと考えられ，流動性知能に関して重比較を行った結果，片目を黒色の紙で覆った場合に流動仮説が立証されたといえる．そして，この瞳孔散大手法が性知能タスクにかかる解答時間は他の遮蔽条件よりも有意認知能力の向上に有用であると考えられる．今後は瞳孔散に短かった (MSe=1.42, p<.05)．

大を誘発することで認知能力を向上させるウェアラブル人
間拡張システムの開発を目指し，システムの構築と評価を4.4 考察行う．

評価基準である課題の解答にかかった時間が短いほど，謝辞 本研究の一部は，JST CREST(JPMJCR18A3) お

流動性知能は優れているといえる．そこで，前節までの結よび科学研究費補助金基盤研究 (A)(22H00550) の支援によ© 2024 Information Processing Society of Japan1448

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るものである．ここに記して謝意を表す．
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