反應時間

**反應時間**（）喺定義上係指感官刺激出現至個體開始俾行為反應之間嘅時間差，例如接波嘅人喺見到投手掟出個波至開始移去個波飛向嘅位置之間嘅時間差。反應時間係認知心理學同相關領域上嘅研究成日會考慮嘅變數，研究者用嚟判斷受試者嘅腦入面發生緊乜認知過程。呢種對反應時間嘅研究就係所謂嘅**心理測時法**。

舉例說明，而家研究者搵受試者返嚟做有關專注力嘅實驗；佢要求受試者望實個熒幕，叫受試者每當熒幕有粒星閃過嗰陣（呢個時間點設做 t_s），就即刻撳隻踎士上面是但一個掣（受試者撳掣嗰一個時間點設做 t_r）；再一路用腦電圖量度受試者嘅腦電活動－假設第啲因素不變，人愈專注做呢樣工作，佢理應反應會愈快（|t_r - t_s| 數值會愈細），所以研究者就可以計吓 |t_r - t_s| 嘅值同邊啲腦電活動有統計相關，剖析人喺專注嗰時個腦裏面發生緊乜事。

反應時間可以俾到有用嘅資訊。喺人類當中，反應時間反映咗個腦入面啲神經細胞傳訊號以及處理資訊嘅速度，所以假設第啲因素不變，反應快係個腦處理速度高（認知功能勁）嘅表現，而反應慢可以係認知功能衰退嘅徵狀－研究顯示，智商（IQ）同反應時間有輕微嘅負相關，即係話智商高嘅人比較傾向會反應時間短（反應快），而腦退化等涉及認知功能衰退嘅病可以引致反應變慢。
## 理論基礎

喺心理學上，由刺激去反應嘅心理過程可以想像成所謂嘅刺激-反應模型（S-R model）。呢個模型最簡單嗰條式如下：
:r(t) \approx k^{0} + \mathbf{k}^{\mathbf{T}}\mathbf{s}(t)；
:\mathbf{k}^{\mathbf{T}}\mathbf{s}(t) = k_1 s_1(t) + k_2 s_2(t) + ...；
當中
:r(t) 係個反應（例如郁手接波）；
:\mathbf{s}(t) 係向量，包括嗮柞相關刺激（例如見到個波向自己飛緊埋嚟）嘅數值；
:\mathbf{k}^{\mathbf{T}} 係**權重向量**（weight vector），每一個權重反應相應嗰個刺激對個反應嘅影響力有幾大。
:\mathbf{k}^{\mathbf{T}}\mathbf{s}(t) 包含多個 k_i s_i(t)，當中 s_i(t) 係第 i 個刺激嘅數值，而 k_i 係嗰個刺激嘅權重。

上述嘅式用簡單文字講如下：個反應（r(t)）受到若干個刺激（柞 s_i(t)）影響，呢啲刺激當中喺對個反應嘅影響力（k_i）上可以有差異。類似噉嘅數學模型可以用嚟模擬好多唔同嘅刺激-反應現象，不過唔同嘅刺激-反應現象嘅 r(t) 同 \mathbf{s}(t) 之間嗰個函數（條式嘅樣）都可以唔同。

反應時間（RT）嘅基本定義係「刺激出現」（柞 s_i(t)）至到「受試者開始俾適當反應」（r(t)）之間嘅時間差。喺人類當中，RT 嘅數值大約係 200 毫秒－據估計，一般大學生對聽覺刺激嘅 RT 大約係 160 毫秒，而對視覺刺激嘅 RT 大約係 190 毫秒。呢段時間就噉睇好似好短，但喺呢段時間之內，人嘅腦（心靈所在）會做好多繁複嘅認知過程－最少包括咗：
*感官嘅感覺神經細胞對個刺激有反應，將訊號經神經線傳上腦（感知）；
*腦嘅某啲腦區（尤其係額葉）要喺 200 毫秒內快速作出「要俾反應」決策；
*然後個腦要將訊號經神經線傳落去相關嘅肌肉嗰度，教啲肌肉要作出乜嘢行動。

## 研究方法

反應時間係認知心理學實驗最常會量度同用嚟做假說檢定嘅變數之一。喺現代認知研究上，一個會分析反應時間嘅認知心理學實驗嘅程式會有一段類似噉嘅碼（呢段係一段虛擬碼）：

  顯示受試者要俾反應嗰個訊號；
  攞個電腦內部嘅鐘顯示嘅時間，設呢個時間做 x；
  等受試者撳掣；
  **if** 受試者撳掣，
    再攞個電腦內部嘅鐘顯示嘅時間，設呢個時間做 y；
    計 (y - x) 嘅數值（以秒計），再將得出個數記低落去數據庫；# 呢個數值通常會係幾百毫秒。
  **if** 受試者冇喺兩秒之內撳掣，
    當受試者冇俾到反應。

**簡單 RT**（simple RT）係最簡單嗰種反應時間實驗。喺呢種實驗入面，研究者會叫受試者每當見到個指定刺激嗰陣就有咁快得咁快撳某個掣；個實驗當中會有若干次「刺激出現，受試者要俾反應」嘅事件；所以喺原始數據（raw data）入面，每個受試者都會有若干個 \text{RT}_i，\text{RT}_i 指第 i 次刺激事件當中嘅受試者反應時間；然後研究者就可以計每個受試者嘅平均反應時間 E(\text{RT})，用 E(\text{RT}) 做嗰個受試者「反應有幾快」嘅指標，並且用 E(\text{RT}) 做統計分析，作出假說檢定。

要留意嘅係，反應時間實驗基本實會做多次嘅「刺激出現，受試者要俾反應」嘅事件：反應時間可以受好多因素（例如注意力）影響；根據對反應時間嘅研究，就算面對嘅係同一樣工作，人嘅反應時間喺唔同時候都可以有些少嘅差異；所以喺反應時間研究上，研究者通常都會要個受試者做一大柞試驗－即係同一樣工作做例如 10 次，量度佢喺每一次入面嘅 \text{RT} 以及計平均 \text{RT}，再對呢啲數據進行一啲事先處理，先至再用得出嘅數值做統計分析。

### 進階範式

除咗簡單 RT 之外，用反應時間做認知研究仲有多種範式：
***去定唔去 RT**（go/no-go RT）：每隔一段時間，受試者會感受到一個刺激，呢個刺激有兩個可能嘅款（M 同 N），受試者喺見到 M 嗰陣要撳掣，而喺見到 N 嗰陣就要唔好撳（**去好定唔去好**）；研究者可以計每一個受試者喺 M 出現嗰陣嘅平均反應時間 E(\text{RT})，而呢個 E(\text{RT}) 嘅數值可以反應個腦點樣抑制衝動嘅反應－個受試者見到 N 嗰時，會有股衝動想去撳掣，所以個腦實要作出抑制。
***分辨 RT**（discrimination RT）：每隔一段時間，受試者會感受到兩個刺激，兩個刺激喺某啲特性（長度或者光度等）上有差異，受試者要按邊個刺激喺個特性上高啲或者低啲決定撳邊個掣；例：見到兩粒星，左邊一粒右邊一粒，如果左邊嗰粒大啲就撳 Z，而如果右邊嗰粒大啲就撳 X（要分辨嘅特性係**大細**）。呢種認知過程都可以攞嚟研究決策，而且因為研究者可以控制要分辨嘅刺激喺乜嘢特性上有差異（比較兩個圖形嘅長度屬視覺、比較兩個聲嘅響度屬聽覺... 等等），所以分辨 RT 喺感知研究以及心理物理學上亦都有用。
***選擇 RT**（choice RT）：每隔一段時間，受試者會感受到一個刺激，呢個刺激有 n 個可能嘅款，每個款都有一個相應嘅掣，受試者喺見到個刺激嗰時要撳同嗰個刺激相應嗰個掣，例：見到粒黃色嘅星就撳 A，見到粒紅色嘅星就撳 S ... 等等；理論上，呢種認知過程必然涉及個腦由幾個可能行動當中選擇一個，並且指揮肌肉做出正確嗰一個行動，所以選擇 RT 可以攞嚟研究決策相關嘅認知過程。選擇 RT 呢家嘢早喺 19 世紀尾經已有研究者採用－喺 1869 年，荷蘭眼科專家法蘭西斯吉斯·唐德斯做實驗，量度咗受試者嘅簡單 RT 同選擇 RT，創始咗對反應時間嘅研究，而佢嘅呢啲做法到咗廿一世紀初都仲廣受採用。
***短期記憶 RT**（short-term memory RT）：每隔一段時間，受試者會見到一列若干個符號 [a_1, a_2,...]，呢列符號跟住會消失，若干秒後，受試者會見到一個符號 a_i，然後佢要用撳掣嘅方式，有咁快得咁快回答「a_i 喺唔喺 [a_1, a_2,...]」入面（例：答 **A** 喺唔喺 **A, B, C, D, E** 呢個符號列入面）；研究嘗試過操控個列嘅符號數量，發現受試者嘅反應時間同個列嘅符號數量成線性嘅正比關係，呢種實驗有俾人採用嚟做短期記憶方面嘅研究。

### 複合指標
喺廿一世紀初，有心理學家開始提倡運用複合指標，即係將反應時間嘅數值同第啲變數嘅數值結合埋一齊，成反映到更多資訊嘅指標數值；佢哋指出，反應時間唔係唯一一個能夠反映受試者表現嘅指標，**犯錯率**（error rate；指受試者俾錯誤反應嘅比率）都提供到有用嘅資訊，例如做去定唔去 RT 實驗嗰陣，受試者對 M 俾正確反應（撳掣）嗰時研究者會得到 \text{RT}_i 值，同時喺呢個過程當中，研究者又會得到受試者俾錯誤反應（M 出現嗰陣冇撳掣，或者 N 出現嗰陣撳咗掣）嘅比率，而呢個犯錯率理應亦都反映個受試者腦入面發生嘅一啲認知過程。於是佢哋就提出咗逆向效率分數（inverse efficiency score；IES）嘅諗頭，逆向效率分數嘅計法如下：
:IES = \frac{E(\text{RT})}{PC}；
當中 E(\text{RT}) 係指「受試者俾正確反應」嘅事件當中嘅平均反應時間，而 PC 係指俾正確反應嘅比率（例如如果刺激出現咗 10 次而受試者喺 9 次當中都俾出正確反應，噉 PC 就係 0.9）。IES 同個受試者嘅表現成反比：如果受試者做嘅認知過程有效率，噉佢理應反應會快（E(\text{RT}) 值會細）得嚟又正確率高（PC 值大並且接近 1），令 IES 數值會細；所以 IES 可以提供更多嘅資訊。IES 有俾唔少認知科學研究者採用嚟做研究。

## 數學模型

### 撠氏定律

撠氏定律（Hick's law）係源自 1952 年嘅認知心理學定律，描述反應時間同選擇數量之間嘅關係。假想一個人家陣要有 n 個選擇當中揀一個（例：喺網購網站嗰度見到 n 件同類商品），根據撠氏定律，喺多數情況下，嗰個人嘅反應時間可以用以下呢條式計：
:\text{RT} = a + b \log_2(n)；
當中 a 同 b 係一啲可以由過往數據嗰度估計佢哋數值嘅常數；有心理學家指，呢條式反映咗人對不確定性嘅處理－當人面對好多個選擇，佢所接收到嘅資訊量就多（資訊量可以用資訊熵減少等嘅指標量度；詳情可以睇資訊理論）。

撠氏定律有應用價值：喺網頁設計等嘅應用上，撠氏定律可以用嚟估計用家（例如）會花幾多時間先至決定要撳入去某個網頁嗰度；不過撠氏定律係純描述性嘅－條定律講明咗「反應時間」同「選擇數量」之間嘅關係，不過就冇理論性噉解釋當中所涉及嘅認知過程。

### 漂流滲透模型
**漂流滲透模型**（drift-diffusion model，DDM）係廿一世紀初興起嘅數學模型，個模型係嘗試理論性噉解釋人喺面對選擇 RT 嗰陣嘅行為。漂流滲透模型內容如下：想像一個受試者，佢焗住要喺兩個選擇當中揀一個做正確答案，而且要有咁快得咁快俾反應；喺每個時間點 t，佢個腦入面對每個選擇都有一個**證據值**，證據值反映咗「嗰個選擇幾大機會係正確嘅」，而且會隨時間積聚，當有其中一個選擇嘅證據值超過咗特定嘅門檻值，受試者就會開始作出「嗰個選擇係正確」嘅相應反應；證據值嘅積聚係帶有隨機嘅，所以會出現突然上落嘅行為。

漂流滲透模型條式如下：
:dx = Adt + cdW,
:x(0) = 0；
x 係指其中一個選擇嘅證據值。上述呢條式講嘅嘢如下：
:x 喺時間點 t = 0（決策啱啱開始）嗰陣係 0，x(0) = 0 ；
:喺每個時間點 t，A 呢個新證據值都會加落去 x 嗰度（dx 指「x 嘅改變」）；
:喺每個時間點 t，證據值嘅改變都包含一個有隨機性嘅**雜音值**（noise term），cdW，反映證據值嘅增長係帶有隨機性嘅。

## 應用

### 科研

自從廿世紀中認知科學誕生以嚟，反應時間就一路係認知實驗上最常量度嘅應變數（DV）之一，感知、注意力同記憶等各方面嘅研究都成日會分析反應時間受乜嘢因素影響。一般嚟講，呢啲實驗入面嘅自變數（IV）會係一啲俾研究者認為理論上會影響刺激-反應之間嘅認知過程嘅變數：研究者會透過做實驗操控呢個自變數，再睇吓呢個操控對反應時間造成乜嘢影響，即係「根據手上呢個理論，呢個刺激同呢個反應之間涉及噉噉噉嘅認知過程，呢列認知過程會涉及變數 x，所以如果呢個理論真確，如果我哋對 x（自變數）作出噉噉噉嘅操作，理應會引致反應時間（應變數）出現噉噉噉嘅變化」。

以上呢串思路當中嘅 x 可以係「某個腦區嘅啟動程度」，所以神經科學上嘅研究都會研究反應時間受乜嘢影響：經顱磁刺激（用磁場刺激或者壓抑特定腦區嘅技術）就係一種常用嘅神經科學研究技術，經顱磁刺激可以用嚟令某個特定腦區暫時失去功能，於是研究者就可以睇吓「令某個腦區暫時失去功能」呢操作會點影響反應時間，就可以知道「呢個呢個腦區對於呢種認知作業嚟講重唔重要」等嘅資訊。舉個例說明，如果發現有某個腦區 r 俾人用經顱磁刺激壓抑咗之後，會搞到個受試者計數嗰陣反應變慢，噉研究者就有理由相信 r 呢個腦區對「計數」呢樣認知作業嚟講有一定重要性。

#### 心理旋轉

心理測時法有助研究心理旋轉。心理旋轉係指人喺心入面想像一件三維嘅物體由唔同角度望嘅樣；呢個諗頭喺廿世紀初嘅心理學界唔被接受，因為當時嘅心理學界由行為主義（主張「心理學研究應該淨係著重行為等直接觀察到嘅嘢」嘅思想）主導，好似思緒等俾人認為係冇方法直接觀察嘅嘢唔受重視。而喺 1970 年代，有認知心理學家試過做噉嘅實驗：個實驗有若干次嘅**試驗**（trial），每次試驗都涉及個受試者喺個熒幕上見到兩件立體嘅物件，喺某啲試驗入面，兩件物件係一樣嘅，而喺某啲試驗入面，兩件物件係彼此嘅鏡像，即係好似下圖噉：

受試者要做嘅嘢係喺每次試驗當中，有咁快得咁快回答「呢兩件物件係咪一樣」；呢份研究跟住分析「兩件物件之間嘅角度差異」會點樣影響反應時間，發現一次試驗當中嗰兩件物件角度差異愈大，受試者嘅反應時間就會愈長，而呢段關係係線性嘅；研究者對呢個發現嘅解讀係，受試者會喺腦海入面想像件物件，喺腦海入面將件物件旋轉，並且睇吓旋轉之後兩件物件係咪互相吻合－而事實係，呢個結果難以用行為主義解釋。亦有實驗試過用二維嘅影像做實驗刺激，都係發現兩件物件之間嘅角度差異愈大，受試者反應愈慢。呢啲實驗結果開展咗認知心理學上對心理旋轉嘅研究，而心理測時法扮演咗不可或缺嘅角色。

#### 語言研究

反應時間亦都有俾人攞嚟做心理語言學（指研究語言相關嘅心理過程）研究。常用嘅做法係，研究者要受試者先後睇若干幅圖，每幅圖都有一啲影像同埋掕住一句句子，然後研究者會要求受試者有咁快得咁快答「幅影像同句句子吻唔吻合」，並且量度受試者嘅反應時間；喺呢種實驗當中，研究者可以操縱啲句子嘅特性（自變數），睇吓唔同嘅操作會對反應時間（應變數）有乜嘢影響，從而解答「邊啲句子對人類嚟講比較難處理（反應時間長）」等等嘅問題。

舉個例說明，想像以下嘅實驗：研究者搵咗班人返嚟做受試者，做若干次試驗；喺每次試驗當中，受試者都會睇一幅圖同一句句子，然後要有咁快得咁快（用撳掣嘅方式）回答句句子同幅圖吻唔吻合，例：句子係「多數點點都係紅色嘅」，而幅圖顯示四粒紅點同一粒黑點，噉正確答案會係「吻合」；然後研究者作出統計分析，睇吓句句子嘅特性對受試者嘅反應時間有乜嘢影響。結果發現，受試者對肯定性嘅句子（「多數點點都係紅色嘅」）嘅反應快過對否定性嘅句子（「多數點點都唔係黑色嘅」）嘅。於是研究者就總結，肯定性句子對人類嚟講似乎比較容易處理。

### 醫療診斷

反應時間反映咗人腦處理資訊嘅速度，所以能夠一定程度上反映人嘅認知能力：反應時間同智商有相對微弱（但統計上顯著）嘅負相關；相對嚟講，人嘅反應會隨住年紀增長（衰老造成腦組織萎縮）變慢，而腦退化等涉及認知功能急速衰退嘅疾病仲可以搞到反應時間明顯提高。

不過值得一提嘅係，廿一世紀初嘅研究顯示，反應時間同認知能力之間嘅關係未至於強到可以用嚟可靠噉診斷腦退化：反應時間可以受好多認知能力以外嘅因素（例如係注意力）影響，雖然反應時間同認知能力之間有相關，但呢個相關相對微弱；2004 年一份研究顯示，用當時受接納嘅工具診斷腦退化可以正確噉將 80 至 90% 嘅病人診斷為「有腦退化」，而用反應時間嘅呢個率低過 50%－所以喺腦退化嘅診斷上，反應時間唔能夠單獨噉攞嚟做可靠嘅指標，頂櫳只可以攞嚟做輔助。

## 睇埋
*認知心理學
*認知
*智能
*神經細胞
*手眼協調
*運動
*打機
*每分鐘操作數
*速讀

## 文獻
方法學文獻：

*Bruyer, R., & Brysbaert, M. (2011). Combining speed and accuracy in cognitive psychology: Is the inverse efficiency score (IES) a better dependent variable than the mean reaction time (RT) and the percentage of errors (PE)? (PDF). *Psychologica Belgica*, 51(1), 5-13.
*Los, S. A., & Van Den Heuvel, C. E. (2001). Intentional and unintentional contributions to nonspecific preparation during reaction time foreperiods (PDF). *Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance*, 27(2), 370.
*Posner, M. I. (2005). Timing the brain: Mental chronometry as a tool in neuroscience (PDF). *PLoS Biol*, 3(2), e51.
*Whelan, R. (2008). "Effective analysis of reaction time data" (PDF). *The Psychological Record*. 58: 475–482.

理論文獻：

*Perry, C., Ziegler, J. C., & Zorzi, M. (2010). Beyond single syllables: Large-scale modeling of reading aloud with the Connectionist Dual Process (CDP++) model (PDF). *Cognitive psychology*, 61(2), 106-151.
*Ratcliff, R., Van Zandt, T., & McKoon, G. (1999). Connectionist and diffusion models of reaction time (PDF). *Psychological review*, 106(2), 261.

## 註釋

## 參考

## 拎
* 反應時間測試