（基础心理学专业论文）时间知觉自动与受控加工的神经机制.pdf

摘要 时间知觉自动与受控加工的神经机制 基础心理学专业博士研究生陈有国 指导教师黄希庭教授 摘要 时间知觉是人类运动、语言、音乐知觉等能力的基础。时间知觉与“知觉到的现在”的内涵 大致相同，研究内容包括“知觉到的现在”的上限、时间知觉阈限( 同时性阈限和顺序性阈限) 以及对事件持续性和顺序性的知觉。近年来时间知觉的侧重点与研究内容发生了一些变化。 在大多数研究中，时间知觉仅限于5 秒内的持续性知觉，该范围内的时距信息被整合为一个整 体进行加工，持续性和整体性是时间知觉的两个重要特征。 随着认知神经科学的发展，通过功能性磁共振成像( m 叫) 、事件相关电位( e l 心) 等 技术，从不同角度对时间知觉进行了探讨，如内隐与外显计时、自动与认知受控计时系统等， 并提出众多理论模型，以解释时间知觉的加工机制，如起搏器累加器模型、同步检测模型、 资源分配模型、记忆衰减模型、状态依赖网络模型等，但是这些模型并不能很好的解释部分 研究结果，例如研究表明在注意和非注意两种条件下，时距的神经表征是不一样的。 根据认知神经科学的相关研究，本研究假设时间知觉是状态性的，拟通过操纵注意来考 察时间知觉的自动与受控加工，假设非注意条件下的时间知觉为自动加工，注意条件下的时 间知觉包括自动加工和受控加工。时间认知分段综合模型强调人类对时间的认知具有分段性， 不同的时距具有不同的表征，无论对哪一种时距的认知均受多种因素如刺激的物理特征、认 知因素和人格特征等的影响。根据该模型，本研究拟考察不同时距范围、不同通道下时间知 觉自动与受控加工的神经机制，拟讨论构建时间知觉理论模型的可能性。 本研究采用e r p 和时频分析技术，系统地探讨了时间知觉自动与受控加工的神经机制。研 究一通过实验1 至实验3 考察2 0 0m s 内极短时距自动与受控加工的神经机制。实验1 采用跨通路 延迟反应实验模式，将标准刺激和偏差刺激设置为不同的时距，令被试对注意通道的时距进 行分辨，探讨了视觉与听觉时间知觉的自动性的差异。实验2 也采用跨通路延迟反应实验模式， 比较注意与非注意条件下时间知觉所诱发的脑活动，考察听觉与视觉时间知觉受控加工的神 t 西南大学博十学位论文 经机制。实验3 将跨通路延迟反应实验模式与s 1 s 2 匹配范式相结合，进一步考察时间知觉自 动加工与受控加工的交互作用。研究二通过实验4 和实验5 考察1 3 秒的短时距的自动与受控加 工的神经机制。实验4 在非注意条件下，按照固定的刺激间时距( i s i ) 呈现听觉刺激，通过考 察偶尔缺失的声音所诱发电生理活动，探讨大脑能否自动将l 3 秒的节奏表征为一整体。实 验5 令被试分辨不同长度的空时距，等待反应信号出现后按键反应，考察不同长度的时距的受 控加工的分段性，以及内隐计时与外显计时的神经机制是否存在差异。研究三通过实验6 考察 时间工作记忆的神经机制。实验6 要求被试分别记忆相同英文字母的空间信息、时间信息以及 字母本身，并完成空间、时间和词语的1 - b a c k 和2 - b a c k 任务，考察储存时间信息的工作记忆与 b a d d e l e y i 作记忆模型的关系。研究发现： ( 1 ) 时阀知觉的自动力n - r _ 是建立在感觉记忆加工基础上的；而时间知觉的受控加工是建 立在注意控制加工基础上的，可以分为增益感觉信息加工、抑制感觉信息加工、增益时间信 息加工、时间信息知觉加工和比较决策加工，时间工作记忆是不同于空间工作记忆和词语工 作记忆的新类型的工作记忆。 ( 2 ) 不同时间长短的时间知觉的自动加工没有本质的差别，0 和a 波参与不同范围时间 知觉的自动加工；不同时间长短的时间知觉的受控加工是分段的，对空时距的选择性注意， 在大约1 0 0 0m s 前抑制0 和a 波，在1 0 0 0m s 后对所有波段的脑电波均进行抑制。 ( 3 ) 听觉与视觉时间知觉的自动加工的神经机制是不同的，听时间知觉的自动性高于视 时间知觉：而不同通道的时间知觉受控加工具有共同的神经基础，0 波参与时间信息的编码 与提取，p 和丫波参与时间信息在工作记忆中的维持与比较加工。 根据本研究与相关研究结果，尝试提出时间知觉双加工模型，对时间知觉的神经机制， 以及分段性和视听通道效应作出合理的解释。该模型指出，时间知觉是状态性的，在非注意 条件下为自动力n - r _ ，在注意条件下包含自动加工和受控加工。时间知觉的自动加工是建立在 感觉记忆加工的基础上的，无需运用注意，可以对时间信息进行自动的感觉分析、存储和比 较，感觉加工区是时间知觉自动加工的神经基础。而受控加工是建立在注意控制加工的基础 上的，受意识的控制，可以分为增益感觉信息加工、抑制感觉信息加工、增益时间信息加工、 时间信息的知觉加工和决策加工，其相关神经结构可以分为四个系统，增益控制回路位于感 觉加工区，编码力n - r _ 回路包括辅助运动区、纹状体和丘脑，工作记忆回路包括前扣带皮质、 前额皮质和后顶皮质，长时记忆回路包括前额皮质、纹状体、丘脑和内侧颞叶。 本研究在理论和方法上有创新，而且具有较大的应用价值。在理论上，本研究假设时间 摘要 知觉是状态性的，尝试提出的时间知觉双加工模型能够整合行为、e r p 、脑电图( e e g ) 、f m r i 和神经解剖学的相关研究结果，能够对本研究和相关研究的结果进行合理的解释；在方法上， 将选择性注意领域的跨通路延迟反应实验模式、工作记忆领域的n b a c k 范式引入时间知觉研 究，并将跨通路延迟反应范式和s 1 - s 2 匹配范式结合起来，构成一种新的实验范式，还将e r p 和时频分析技术结合起来，获得了一些新的发现；在应用上，时间知觉的研究方法与结果可 以应用于医学、航天等领域，如帕金森病的早期甄别、评估治疗效果，以及航天员时间知觉 能力的测量与改善。 目前只揭示了时间知觉神经机制的冰山一角，还存在着大量的问题，有待以后的研究进 一步解答。时间知觉双加工模型的推论还有待检验，在时间认知分段综合模型的指导下，应 该综合考虑刺激的物理特征、认知因素、人格特征和情绪状态等对时间知觉的影响，从而发 展出一个具有更高生态效度的模型。 关键词：时间知觉自动t j n r受控 j a m时间认知分段综合模型时间知觉双 1 j n r 模型时间工作记忆事件相关电位( e l 冲)时频分析 i i i 两南大学博十学位论文 t h en e u r a lm e c h a n i s mo fa u t o m a t i ca n d c o n t r o l l e dp r o c e s si nt i m e p e r c e p t i o n m a j o r ：b a s i cp s y c h o l o g y s p e c i a l t y ：c o g n i t i v ep r o c e s s s u p e r v i s o r ：p r o f h u a n gx i t i n g p h d c a n d i d a t e ：c h e ny o u g u o a b s t r a c t t i m ep e r c e p t i o ni st h eb a s i so fs e v e r a la b i l i t i e so fh u m a n , e g m o v e m e m ， l a n g u a g e ，m u s i cp e r c e p t i o n t i m ep e r c e p t i o na n dt h ep e r c e i v e dp r e s e n ta r ei ne s s e n c e t h es a m e ，t h er e s e a r c h e sa r ec o m p r i s eo ft h el i m i t e dc a p a c i t yo f p e r c e i v e dp r e s e n t ，t h e t h r e s h o l do ft i m ep e r c e p t i o n , d u r a t i o na n do r d e rp e r c e p t i o n r e c e n ty e a r s ，t i m e p e r c e p t i o ni sl i m i t e dt ot h ep e r c e p t i o no fd u r a t i o nw i t h i n5s e c o n d si nm o s to fs t u d i e s ， i nw h i c ht h ed u r a t i o ni si n t e g r a t e da sau n i t y , a n dt h ew h o l e n e s sa n d c o n t i n u i t ya l et h e c r i t i c a lf e a t u r e so ft i m ep e r c e p t i o n a st h ed e v e l o p m e n to fc o g n i t i v en e u r o s c i e n c e ，u s i n gf u n c t i o n a lm a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g i n g ( f m p d ) ，e v e n t r e l a t e dp o t e n t i a l s ( e r p ) ，a n dt i m ep e r c e p t i o nh a sb e e n i n v e s t i g a t e df r o md i f f e r e n td i m e n s i o n s ，e g e x p l i c i t & i m p l i c i tt i m i n g ，a u t o m a t i c & c o g n i t i v ec o n t r o l l e dt i m i n gs y s t e m s s e v e r a lt h e o r e t i c a lm o d e l sw e r ep r o p o s e dt o e x p l a i nt h em e c h a n i s mo ft i m ep e r c e p t i o n , s u c ha sp a c e m a k e r - a c c u m u l a t o rm o d e l ， c o i n c i d e n c e d e t e c t i o nm o d e l ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n m o d e l ，m e m o d ，d e c a ym o d e l ， s t a t e d e p e n d e n tn e t w o r km o d e l ，e t c h o w e v e r , t h em o d e l sc a l l te x p l a i nr e s u l t so fs o m e s t u d i e s ，s u c ha st h en e u r a lr e p r e s e n t a t i o n so fd u r a t i o na r ed i f f e r e n tu n d e ra t t e n t i o na n d i n a t t e n t i o nc o n d i t i o n s b a s e do nt h er e l a t e ds t u d i e si nt h ec o g n i t i v en e u r o s c i e n c e ，t h ep r e s e n ts t u d y h y p o t h e s i z e st i m ep e r c e p t i o ni ss l a _ t e - d e p e n d e n t , t h ea u t o m a t i ca n dc o n t r o l l e dp r o c e s s c o u l db er e s e a r c h e db yo p e r a t i n ga t t e n t i o n , a n dt i m ep e r c e p t i o ni sa u t o m a t i cu n d e rt h e i v a b s t r a c t 量曼曼皇皇曼皇曼鼍曼皇曼曼曼曼曼皇i i i ；i i i 一一一 一 ；i 曼曼曼曼曼! 璺 i n a t t e n t i o nc o n d i t i o n ，w h e r e a si ti sc o m p r i s e do fa u t o m a t i ca n dc o n t r o l l e dp r o c e s s e s u n d e rt h ea t t e n t i o nc o n d i t i o n n er a n g e s y n t h e t i cm o d e lo ft e m p o r a lc o g n i t i o n e m p h a s i z e st h en e u r a lr e p r e s e n t a t i o na r ed i f f e r e n tf o rd i f f e r e n tr a n g eo ft i m e ，a n dt h e p r o c e s so fd u r a t i o ni sa f f e c t e db ys e v e r a lf a c t o r st h a ta r em a i n l yc o m p r i s e do ft h e p h y s i c a lf e a t u r e so fs t i m u l i ，c o g n i t i v ef a c t o r s ，p e r s o n a l i t yt r a i t s ，e t c b a s e do nt h i s t h e o r e t i c a lm o d e l ，t h ep r e s e n ts t u d ya t t e m p t st oi n v e s t i g a t et h en e u r a lm e c h a n i s m so f a u t o m a t i ca n dc o n t r o l l e dp r o c e s si nt i m ep e r c e p t i o nu n d e rd i f f e r e n tr a n g eo ft i m ea n d d i f f e r e n tm o d a l i t i e s ，a n dt od e v e l o pat h e o r e t i c a lm o d e lo ft i m ep e r c e p t i o n n l ep r e s e n ts t u d ye x p l o r e st h en e u r a lm e c h a n i s m so fa u t o m a t i ca n dc o n t r o l l e d p r o c e s si n t i m ep e r c e p t i o n u s i n ge i 冲 a n dt i m e f r e q u e n c y a n a l y s i s s t u d yo n e i n v e s t i g a t e dt h e n e u r a lm e c h a n i s m so fa u t o m a t i ca n dc o n t r o l l e dp r o c e s si nt i m e p e r c p e i t o nw i t h i n2 0 0i n sv i ae x p e r i m e n t1 t oe x p e r i m e n t3 i nt h ee x p e r i m e n t1 ，t h e a u t o m a t i c i t yo fa u d i t o r yt i m ep e r c e p t i o nw a sc o m p a r e d 埘t ht h a to fv i s u a lt i m e p e r c e p t i o nb ye m p l o y i n gt h ec r o s s m o d a ld e l a y e dr e s p o n s ep a r a d i g m n l es t a n d a r da n d d e v i a n ts t i m u l iw e r ed i f f e r e n td u r a t i o n s ，a n dp a r t i c i p a n t sw e r er e q u i r e dt oi d e n t i f yt h e d u r a t i o n si nt h ea t t e n t i o n a lm o d a l i t y e x p e r i m e n t2e m p l o y e dt h es a n l ee x p e r i m e n t p a r a d i g ma se x p e r i m e n t1 i no r d e rt oi d e n t i f yt h en e u r a lm e c h a n i s mo fc o n t r o l l e d p r o c e s si na u d i t o r ya n dv i s u a lt i m ep e r c e p t i o n , t h en e u r a la c t i v i t ye v o k e db yt i m e p e r c e p t i o nu n d e ra t t e n t i o nc o n d i t i o nw a sc o m p a r e dw i t hi n a t t e n t i o nc o n d i t i o n i nt h e e x p e r i m e n t3 ，t h ec r o s s - 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d e p e n d e n t , a n dt i m e p e r c e p t i o ni sa u t o m a t i cu n d e rt h e i n a t t e n t i o nc o n d i t i o n , w h e r e a si ti sc o m p r i s e do f a u t o m a t i ca n dc o n t r o l l e dp r o c e s s e su n d e rt h ea t t e n t i o nc o n d i t i o n t h ea u t o m a t i cp r o c e s s o ft i m ep e r c e p t i o ni sb a s e do nt h e s e n s o r ym e m o r yp r o c e s sw i t h o n tc o n t r o la n d a t t e n t i o n , w h i c hr e l i e so ns e n s o r yp r o c e s sa r e a s 1 1 1 et e m p o r a li n f o r m a t i o nc a nb e a u t o m a t i cs e n s o r ya n a l y z e d , s t o r e da n dc o m p a r e d 1 1 1 ec o n t r o l l e d p r o c e s so ft i m e p e r c e p t i o ni sb a s e do na t t e n t i o nc o n t r o lp r o c e s s ，i n c l u d i n gg a i n i n gs e n s o r yi n f o r m a t i o n , i n h i b i t i n gs e n s o r yi n f o r m a t i o n , g a i n i n gt e m p o r a li n f o r m a t i o n , p e r c e p t u a lp r o c e s sf o r t e m p o r a li n f o r m a t i o n , a n dd e c i s i o nm a k i n gp r o c e s s 1 1 l e i rr e l a t e dn e u r a ls t r u c t u r e sc a l l b ed i v i d e di n t of o l l o wf o u rs y s t e m s ：g a i nc o n t r o lc i r c u i tr e l i e so ns e n s o r yp r o c e s sa r e a , a b s t r a c t e n c o d i n g c i r c u i t si n c l u d e ss u p p l e m e n t a r ym o t o ra r e a , s t r i a t u m ，t h a l a m u s ；w o r k i n g m e m o r yc i r c u i tc o m p r i s e so fa n t e r i o rc i n g u l a t e dc o r t e x ，p r e f r o n t a lc o r t e xa n dp o s t e r i o r p a r i e t a lc o r t e x ；l o n g - t e r mm e m o r yc i r c u i tc o m p r i s e so fp r e f r o n t a lc o r t e x ，s t r i a t u m ， t h a l a m u sa n dm e d i a lt e m p o r a ll o b e t h e r ea l es o m ei n n o v a t i o n sa n dv a l u e si nt h et h e o r y ，m e t h o d ，a n da p p l i c a t i o no ft h e p r e s e n ts t u d y i nt h et h e o r y , t h ep r e s e n ts t u d yh y p o t h e s i z e st i m ep e r c e p t i o ni s s t a t e d e p e n d e n t ，a n dp r o p o s e sd u a l - p r o c e s sm o d e lo ft i m ep e r c e p t i o nt oi n t e g r a t et h e r e s u l t sf r o mb e h a v i o r , e r a , e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ( e e g ) ，f m r ia n dn e u r o a n a t o m i c a l s t u d i e s ，t h e r e f o r e ，t h em o d e lc a l le x p l a i nt h er e s u l t so ft h ep r e s e n ta n d t h er e l a t e ds t u d i e s i nt h em e t h o d ，t h ep r e s e n ts t u d yf i r s ta d o p t st h ep a r a d i g mi nt h es t u d i e so fs e l e c t i v e a t t e n t i o na n dw o r k i n gm e m o r yt oi n v e s t i g a t et i m ep e r c e p t i o n , a n di n t e g r a t e st h e c r o s s - m o d e ld e l a y e dr e s p o n s ep a r a d i g ma n ds1 一s 2m a t c h i n gp a r a d i g mt o g e t h e rt o d e v e l o pan e we x p e r i m e n t a lp a r a d i g m t h ep r e s e n ts t u d y a l s ou s e se r pa n d t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i st oo b t a i ns o m en e wf i n d i n g s i nt h ea p p l i c a t i o n , t h ef i n d i n g s a n dr e s e a r c hm e t h o d so ft i m ep e r c e p t i o nc a r lb ea p p l i e di n t om e d i c a ls c i e n c ea n ds p a c e f l i g h t , e g t h ee a r l yd i a g n o s i so fp a r k i n s o n sd i s e a s ea n de v a l u a t i o no ft h et r e a t m e n t e f f e c t , a sw e l l 嬲m e a s u r e m e ma n di m p r o v e m e n tt h ea s t r o n a u t sa b i l i t yo ft i m e p e r c e p t i o n t h e r ea l es t i l lm a n yp r o b l e m sn e e dt ob es o l v e di nf u t u r es t u d y t h ei n f e r e n c e so f d u a l p r o c e s sm o d e lo ft i m ep e r c e p t i o ns h o u l db et e s t e d i no r d e rt od e v e l o pab e t t e r m o d e l 、析mh i g h e re c o l o g i c a lv a l i d i t y , i ti so u g h tt oi n t e g r a t et h ed u a l - p r o c e s sm o d e lo f t i m ep e r c e p t i o nw i t ho t h e rf a c t o r s ，s u c ha st h ep h y s i c a lf e a t u r e so fs t i m u l i ，c o g n i t i v e f a c t o r s ，p e r s o n a l i t yt r a i t sa n de m o t i o n a ls t a t e k e y w o r d s ：t i m ep e r c e p t i o n , a u t o m a t i cp r o c e s s ，c o n t r o l l e dp r o c e s s ，r a n g e - s y n t h e t i c m o d e lo ft e m p o r a lc o g n i t i o n , d u a l - p r o c e s sm o d e lo ft i m ep e r c e p t i o n , t e m p o r a l w o r k i n gm e m o r y , e v e n t - r e l a t e d p o t e n t i a l s ( e r p ) ， t i m e f r e q u e n c ea n a l y s i s v 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 ， 厂、 学位论文作者：p 擎有 到 签字日期： 20 1o 年4 月15 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：留不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者始际有闺 签字日期： 2 0 10 年4 月15 日 锄鲐缯乒 签字日期：2010 年4 月1 5 日 1 研究背景 1 研究背景 对时间信息进行精确加工是人类的基本能力，每个人都自然而然地加工时间 信息。对于什么是时间这个问题，人们可能会和奥古斯丁一样：“当没有人问我时， 我清楚；当我要对此说明时，我就糊涂了”。时间问题是哲学的基本问题之一，有 关时间的论述常常出现在著名哲学家的著作中。例如，亚里斯多德认为! 时间是关 于前和后的运动的数”，即时间是客观的，是从运动中抽象出来的，可以用来比较 的数量( 亚