認知科学｜心の仕組みを情報処理として解き明かす学問

認知科学

認知科学は、知覚・記憶・言語・推論・学習といった人間の知的なはたらきを、情報処理の観点から解き明かそうとする学際的な研究分野である。心理学、言語学、人工知能、神経科学、哲学、人類学の6領域を柱とし、1970年代後半に独立した学問として制度化された。研究成果は機械の操作画面設計やヒューマンエラー対策にも応用されており、製造業とのかかわりも深い。

1956年という出発点

起点としてよく挙げられるのは1956年9月、マサチューセッツ工科大学で開かれた情報理論のシンポジウムである。この場でノーム・チョムスキーが生成文法の構想を、ジョージ・ミラーが短期記憶の容量に関する研究を、アレン・ニューウェルとハーバート・サイモンが定理を自動証明するプログラムを発表した。ミラーは後に、この日を認知科学の誕生日と振り返っている。同じ年の夏にはダートマス会議が開かれ、「人工知能」という言葉も生まれた。当時の心理学は、観察できる刺激と反応だけを扱う行動主義が主流だった。心の内部過程を正面から研究対象にしたこの動きは「認知革命」と呼ばれる。1977年には学術誌『Cognitive Science』が創刊され、1979年に国際的な学会が発足した。日本認知科学会の設立は1983年である。

6つの学問領域とその役割

1978年に米国スローン財団がまとめた報告書では、関連分野を六角形の頂点に置き、それぞれを結ぶ線で学際的なつながりを示した。各領域の問いと手法は次のように整理できる。

心を「計算」として捉える枠組み

初期の研究を支えたのは、心を記号を操作する計算システムとみなす計算主義である。英国の神経科学者デヴィッド・マーは1982年の著書『ビジョン』で、情報処理システムを理解するための3つの水準を示した。何をなぜ計算するのかという計算理論の水準、どんな表現と手順で処理するのかというアルゴリズムの水準、そして物理的な仕組みとしての実装の水準である。この区分けによって、心理学者と脳研究者が同じ現象を異なる角度から論じられるようになった。

コネクショニズムの登場

1986年、ラメルハートとマクレランドらが並列分散処理（PDP）の研究書を出版し、流れが変わった。単純な処理単位を大量に結合したニューラルネットワークで、明示的な規則なしに学習が進むことを示したのである。記号処理派との論争は長く続いたが、この系譜はのちの深層学習へとつながっている。

よく知られた研究成果

理論の対立を抱えながらも、実験によって確かめられた知見は少なくない。代表的なものを挙げる。

• ミラーの「マジカルナンバー7±2」（1956年）。のちにコーワンが2001年に、実際の容量は4±1程度とする説を出した
• バデリーとヒッチによるワーキングメモリモデル（1974年）。音韻ループと視空間スケッチパッドを中央実行系が制御する
• 直感的な速い思考と熟慮的な遅い思考を分ける二重過程理論。カーネマンは関連する研究で2002年にノーベル経済学賞を受けた
• 認知は脳だけで完結せず、身体や環境と切り離せないとする身体性認知（1991年の『身体化された心』が契機）

フィッツの法則と操作画面の設計

人の動作を数式で予測した例として、1954年にポール・フィッツが示した法則がある。目標までの距離をD、目標の幅をW、定数をa・bとすると、目標に指やカーソルを合わせるまでの時間MTは次の式で近似できる。

MT = a + b log₂(2D / W)

遠くて小さいボタンほど操作に時間がかかり、押し間違いも増えるということになる。ポインティングデバイスの評価方法を定めたISO 9241-411もこの考え方に基づいている。工場の設備に付いたタッチパネル式のHMIでは、作業手袋をはめたまま操作することが多い。指先が触れる面積が広がるため、事務用タブレットと同じ感覚でボタンを並べると誤操作が起こりやすい。実務では、非常停止に近い機能のボタンを離れた位置に置き、よく使うボタンほど大きく手前に置くといった配置上の工夫が、追加費用をほとんどかけずに効果を出せる対策として選ばれやすい。

製造現場のヒューマンエラー対策

ヒューマンエラーの研究は、認知科学が産業界にもっとも直接的に貢献してきた分野である。ドナルド・ノーマンは、意図は正しいのに実行で失敗する「スリップ」と、意図そのものが誤っている「ミステイク」を区別した。ジェームズ・リーズンは1990年の著書で、何重もの防護層の穴がたまたま一直線に並んだときに事故が起こるという「スイスチーズモデル」を提唱している。日本の現場で使われる指差呼称についても実験による裏付けがあり、鉄道総合技術研究所が1994年に行った実験では、何もしない場合に比べて操作の誤りが約6分の1に減った。とはいえ、教育や注意喚起だけでは効果が長続きしないことは現場の経験からも知られている。そのため、治具の形状で誤組付けを防ぐポカヨケのように、人の注意力に頼らない設備側の対策と組み合わせて運用するのが一般的である。

人間中心設計の規格

利用者の認知特性を設計工程に組み込む手順は、ISO 9241-210:2019として国際規格になっている。対応する国内規格はJIS Z 8530:2021である。人間工学やユーザビリティ評価の実務では、これらの規格が要求事項の根拠として参照される。

残された論点と批判

計算主義には根強い反論もある。哲学者ジョン・サールは1980年に「中国語の部屋」という思考実験を示し、記号を規則どおりに操作できても意味を理解しているとはいえないと主張した。1969年にマッカーシーとヘイズが指摘したフレーム問題、つまり無数の情報の中から関係するものだけをどう選ぶのかという課題も、完全には解決していない。実験手法をめぐっては、2015年に心理学の論文100本の追試を行った大規模プロジェクトがあり、元の結果を再現できたのは約36％にとどまった。この結果を受けて、研究計画の事前登録やデータの公開が広がりつつある。大規模言語モデルが人間に近い文章を生成するようになった現在、「理解とは何か」という古い問いは、改めて実証の対象になっている。