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任务转换中双向效应来源的实验研究 中文摘要 i 任务转换中双向效应来源的实验研究 中文摘要 双向效应是指：采用可预知的三联任务转换范式，含有双向刺激的任务对另两个 单向刺激任务产生使其反应变慢的现象。 现有的关于双向效应的研究主要集中于双向 效应是否是稳定的现象及其来源的问题，而对于来源的说法不一，众说纷纭，现有的 双向效应来源的主要观点有谨慎的反应风格、负启动和情境联结。为了探讨双向效应 的来源，即在任务转换中双向刺激对单向刺激的影响，设计了以下四个实验： 实验一采用可预知的三联任务转换范式，分别以颜色(1a)和大小(1b)作为单双向 刺激的共同特征，以验证双向效应是否为稳定的现象，探讨双向效应的持久力，并探 讨双向效应是否来源于负启动。 实验二探讨在双向刺激的干扰特征与其他单向刺激均 无共同特征的条件下的双向效应，是否由于刺激突现而产生双向效应。实验三和实验 四分别强化与双向刺激无相关特征的单向刺激任务（符号大小任务）和有相关特征的 单向刺激任务(字母颜色任务)， 以探讨双向效应是否来源于情境联结。 主要研究结论： (1) 双向效应是一种稳定存在的现象，在混合区组中，无论单向刺激是否与双向 刺激具有共同特征，其反应均减慢。随着时间延长，双向效应量呈递减趋势，双向效 应大约维持 6.6s。通过启动项与非启动项的对比，证实双向效应并非来自于负启动。 (2) 当单双向刺激均无共同特征的条件下，并不存在双向效应，说明双向效应对 冲突的存在是异常敏锐的。 (3) 强化与双向刺激无相关特征的单向刺激任务后，双向效应量比未强化的任务 显著减少。 而强化与双向刺激有相关特征的单向刺激任务后，双向效应量比未强化的 同期任务显著增加。说明双向效应是来自于情境联结。 关键词：双向效应 双向刺激 单向刺激 情境联结 作作 者者: : 顾琳珺 指导教师：指导教师：冯成志 abstract the experimental study of bivalency effect in task switching ii the experimental study of bivalency effect in task switching abstract the bivalency effect refers to the performance slowing that occurs when switching tasks and bivalent stimuli appear occasionally among univalent stimuli, even if they have no overlapping features with the bivalent stimulus. current researches on the bivalency effect focused mainly on whether the bivalency effect was stable and the source of the effect, so far, there are three perspectives to explain the bivalency effect, they are cautious response style、negative priming accounts and episodic context binding. this study designs four experiments to explore the source of bivalency effect. in experiment 1,we used a typical bivalency effect paradigm, color(1a) or size(1b) as the relevant feature with bivalent stimulus, to explore whether the bivalency effect comes from negative priming. in experiment 2, the distract feature of the bivalent stimulus shared no relevant with others. in experiment 3 and 4, we enhanced the binding between stimulus and response which was irrelevant or relevant with bivalency stimulus, respectively, to explore whether the bivalency effect comes from episodic context binding. the results found: () a general performance slowing occurred on several subsequent univalent stimulus, and even on those, which shared no relevant feature with the bivalent stimulus, the enduring bivalency effect was about 6.6s, there was no differences between priming item and non-priming item yet, we might deny the negative priming accounts. () the bivalency effect was sensitive to the presence of conflict. () compare experiment 1a with experiment 2, the bivalency effect appeared to be smaller in magnitude than that in experiment 2, but larger in experiment 3.this confirms that bivalency effect reflects an adjustment of cognitive control arising from the more demanding context created by bivalent stimuli. thus, we emphasize that the bivalency effect might stem form episodic the experimental study of bivalency effect in task switching abstract iii context binding. keywords: bivalency effect, bivalent stimuli, univalent stimuli, episodic context binding written by：gu linjun supervised by：feng chengzhi 目 录 1 文献综述 . 1 1.1 任务转换 . 1 1.2 任务转换的研究范式 . 1 1.2.1jersild 范式 . 1 1.2.2 交替转换范式 . 2 1.2.3 任务线索范式 . 2 1.2.4 指示转换范式 . 2 1.3 转换代价及其成分 . 2 1.4 转换代价的来源 . 4 1.4.1 任务设置重建 . 4 1.4.2 任务设置惯性 . 5 1.4.3 联结竞争 . 6 1.5 双向效应 . 7 1.5.1 双向效应的提出 . 7 1.5.2 双向效应的实验范式. 8 1.5.3 双向效应的相关研究. 8 1.5.4 双向效应的来源 . 12 1.6 问题提出与研究假设 . 13 1.6.1 问题的提出 . 13 1.6.2 研究意义 . 14 1.6.3 研究框架与假设 . 14 2 实验一 双向效应的验证 . 16 2.1 研究目的和假设 . 16 2.1.1 研究目的 . 16 2.1.2 研究假设 . 16 2.2 研究方法 . 16 2.2.1 被试 . 16 2.2.2 实验材料 . 16 2.2.3 实验设计 . 17 2.2.4 实验程序 . 17 2.3 结果和分析 . 18 2.3.1 实验 1a 的结果分析 . 18 2.3.2 实验 1b 的结果分析 . 21 2.4 讨论 . 25 3 实验二 单双向刺激无共同特征的双向效应. 28 3.1 研究目的和假设 . 28 3.1.1 研究目的 . 28 3.1.2 研究假设 . 28 3.2 研究方法 . 28 3.2.1 被试 . 28 3.2.2 实验材料 . 28 3.2.3 实验设计 . 28 3.2.4 实验程序 . 29 3.3 结果和分析 . 29 3.4 讨论 . 30 4 实验三 强化无共同特征的单向刺激 对双向效应的影响 . 32 4.1 实验目的和假设 . 32 4.1.1 实验目的 . 32 4.1.2 实验假设 . 32 4.2 研究方法 . 32 4.2.1 被试 . 32 4.2.2 实验材料 . 32 4.2.3 实验设计 . 32 4.2.4 实验程序 . 32 4.3 结果和分析 . 33 4.3.1 无相关特征的单向刺激的强化实验结果 . 33 4.3.2 以颜色为相关特征的双向效应 . 33 4.4 讨论 . 35 5 实验四 强化有共同特征的单向刺激 对双向效应的影响 . 37 5.1 实验目的和假设 . 37 5.1.1 实验目的 . 37 5.1.2 实验假设 . 37 5.2 研究方法 . 37 5.2.1 被试 . 37 5.2.2 实验材料 . 37 5.2.3 实验设计 . 37 5.2.4 实验程序 . 37 5.3 结果和分析 . 38 5.3.1 具有相关特征的单向刺激的强化实验结果 . 38 5.3.2 以颜色为相关特征的双向效应 . 38 5.4 讨论 . 40 6 总讨论 . 42 6.1 任务转换相关理论解释双向效应. 42 6.1.1 负启动 . 42 6.1.2 任务决策加工理论 . 42 6.1.3 任务重建和任务设置惯性 . 43 6.2 情境联结解释双向效应 . 43 7 研究结论与展望 . 46 7.1 研究结论 . 46 7.2 研究展望 . 46 参考文献 . 47 附 录 . 54 攻读学位期间公开发表的论文. 55 致 谢 . 56 任务转换中双向效应来源的实验研究 1 文献综述 1 1 文献综述 1.1 任务转换 任务转换是指人们在完成多个任务时快速地从一个任务转换到另一个任务的过 程，1927 年 jersild 的实验开创了对任务转换研究的先河。任务转换是人类认知加工 的一种基本现象，collete 等人把这种从一个认知任务转换到另一个认知任务的过程 称作转换加工 （shifting process 或 switching process） (collette sohn, ursu, anderson, stenger, (2)新任务设置的准备(preparation)，线索的呈现为刺激 加工和反应作出准备，减少转换代价;(3)剩余成分(residual component)，尽管延长线索 刺激间隔，但转换代价仍旧存在(meiran, chorev, monsell 1994a)和 rubinstein(2001)提出了任务设置惯性观,，任务设置 在执行后一段时间内还会存在，形成了一种自动化的延迟效应。之前任务设置的持续 激活有利于完成重复任务，却干扰了转换任务的执行，因为转换任务的设置与前一任 务遗留设置存在冲突，只有对前任务设置进行额外抑制，才能顺利转换，这使得转换 任务的反应变慢，产生转换代价。转换代价与即将进行的任务加工无关，而与先前的 任务加工有关。 allport 和 wylie 采用了 stroop 任务研究发现，单词阅读比颜色命名更容易完成， 而在这两者之间转换时， 从颜色命名转换到单词阅读的转换代价显著大于从单词阅读 转换到颜色命名的转换代价。与转换到困难任务相比，转换到简单任务的转换代价更 大，这被称为转换代价的不对称性，表明先前任务的难度对转换代价影响更大，先前 任务越难，那么转换代价越大。这是因为先前任务需要更多地认知资源以抑制占有优 势的任务，使得下一任务受到先前任务的前摄抑制导致反应变慢(allport rogers steinhauser rogers woodward et al., 2003; woodward, metzak, meier, woodward et al., 2008)。以年长者为被试的研究亦有双向效应(meier, rey-mermet, woodward, m ri, notebaert et al., 2009; notebaert notebaert et al., 2009; notebaert fagioli, hommel, hommel, m sseler, aschersleben, kunde metzker paprotta, deubel, rogers meiran, 2008; waszak et al., 2003)。研究表明双向效应的大小并不依赖于冲突的数量。但对于没有冲突的情况 下，双向效应是如何变化却还未知，rey-mermet 和 meier (2012b)在原有实验范式的 基础上加入了重复试次，被试需要连续完成 6 个任务而非之前的三个任务。被试依次 完成两个大小判断任务、 两个数字奇偶任务和两个字母元辅音任务， 遵循 aabbcc 的顺序。实验 1 中，双向刺激为有大小特征的字母，做元辅音判断任务，其他两个实 验中双向刺激分别是有大小特征的数字作奇偶判断 （实验 2） 或作大小判断 （实验 3） 。 研究结果显示在至少有一种冲突来源的情况下，所有任务都存在稳定的双向效应。但 是在实验 1 的奇偶任务和实验 3 的字母任务中， 双向效应骤然减少且纯区组与混合区 组的双向代价不显著， 因为这两种条件均是单双向刺激无共同特征且为重复任务的情 况，也就是说没有冲突。所以，没有重叠刺激特征的特定任务对转换代价有所影响。 转换试次和重复试次对双向效应是否有不同的影响， 这一问题对解释转换代价有 重要作用。如上所述转换代价的一种解释是转换代价反映了控制加工，用于进行认知 任务转换中双向效应来源的实验研究 1 文献综述 11 系统重建以应对转换任务(meiran, 1996; rogers waszak et al., 2003)。两 种解释都关注于转换代价的本质， 了解哪些因素在任务转换过程中影响着转换代价尤 为重要。 如果双向效应对转换代价有贡献，那么它便是反映了转换代价中一个尚未被 发现的成分。rey-mermet 和 meier (2012b)认为双向效应反映了认知控制的灵活适应 性，它对冲突存在与否敏感，而对冲突来源和大小并不敏感。在一些具有认知冲突的 条件下（如双向刺激的出现），能引发认知调节控制，这种调节能够不费任何代价应 对额外冲突来源的情境。认知调节仅仅对冲突的存在敏感，在没有冲突的试次中（如 单双向刺激无共同特征的重复任务）对资源整合的需要很小。 这一结果对现有的认知控制研究具有很大的挑战， 现有的认知控制适应性通常对 冲突的来源和数量是敏感的(botvinick, braver, barch, carter, botvinick, cohen, egner, 2008)。 同时也说明了双向效应并非来自于被试采用谨慎 的反应风格。根据这一解释，特定任务中冲突是否存在不会影响双向效应的大小。相 反，情境联结的解释认为当任务的冲突被激活，干扰才会产生。任务与其情境的联结 强度依赖于冲突的存在(verguts cohen, botvinick, forstmann, brass, koch, holroyd parris, thai, benattayallah, summers, peterson et al., 1999)。行为过程 的适应需要背侧前扣带回的激活，克服障碍，接近目标，在双向效应中也有可能含有 背侧前扣带回(dacc)的激活。woodward 等人使用 fmri 技术，比较了纯区组和混合 区组中的单向刺激，结果显示双向效应与背侧前扣带回(dacc)的激活相关联 (woodward et al., 2008)。grundy 等人使用事件相关电位(erp)发现在 275-450ms 和 500-550ms 时间窗中额部电极振幅有差异。他们将这种调节解释为从无关线索中遗留 的加工抑制。 与 fmri 结果相一致， 源偶极子分析显示偶极子位于背侧前扣带回(dacc) 或接近于此(grundy et al., 2013)。 1 文献综述 任务转换中双向效应来源的实验研究 12 所以，双向效应与冲突加工或认知控制适应的脑区激活有关。但是对于在加工纯 单向刺激时，即无双向刺激干扰时，又是什么引发了冲突？这一点尚不清楚。根据情 境联结的观点认为， 可能是由处理冲突加载任务三联体组合的冲突表征的激活而引起 的。如果联结加工发生在每一个试次，那么可以推测与记忆相关的脑区也会激活。但 是在 fmri 或 erp 研究中对比纯区组和混合区组， 这些激活相互抵消。 所以从神经影 像学和电生理学研究结果来看并不能否认情境联结的观点。 1.5.4 双向效应双向效应的的来源来源 从上述相关研究来看，对于双向效应的来源众说纷纭，主要有三种观点：谨慎的 反应风格、负启动和情境联结。 woodward 等(2003)认为这些结果对现今的任务转换理论是极大的挑战。他认为 双向效应是来源于谨慎的反应风格，是一种内源性加工。通过指导语(关注正确率或 关注速度)来控制被试所做的反应，导致被试形成了一种影响所有转换试次的反应风 格。 这种反应类型的采用是为了处理夹杂在单向刺激中的双向刺激的干扰，致使反应 时延长。 allport 等人提出负启动的观点，根据这个观点将双向效应的来源解释为试次间 的动态影响。其导致双向刺激特征持续引起对前一任务设置的抑制。若前一个试次为 双向刺激， 那么双向特征可能会干扰抑制与其临近的与双向刺激具有相同特征的单向 刺激试次的加工。所以，双向刺激特征可能被抑制及负启动。比如，当试次 n 的刺 激是双向刺激， 激活一种映射(命名字母颜色)的同时抑制另一种映射(字母的大小写)。 如果这一被抑制或被负启动的映射是与试次 n+1 相关的，那么重新激活该映射需要 额外的时间，从而导致单向刺激的反应减慢，产生双向效应(allport wylie rey-mermet rey-mermet, koenig, turatto yantis, 1993)。注意资源是有限的，当任务无 关刺激引起注意获得自动化加工，占用了一部分资源，而对任务相关刺激的加工资源 就相对减少，导致反应变慢。一个刺激是否能够引起注意捕获往往依赖其本身相对于 1 文献综述 任务转换中双向效应来源的实验研究 14 其他项目的显著程度，显著性越高，捕获注意的可能性就越大，而显著性较弱的刺激 不能捕获注意(theeuwes, 1994)。那么双向刺激的反应比单向刺激慢的原因是否是因 为无关特征的凸显性所造成的注意捕获呢？ 对于双向刺激对单向刺激影响的持久力方面的研究， meier(2009)的研究中， 在混 合区组中，双向刺激每隔五个试次出现一次，将双向刺激所在的试次标记为 n，则其 后出现的试次标记为 n+1，n+2，n+3，n+4，作者对双向刺激后出现的单向刺激试 次的反应时进行分析，结果发现随着单向试次的增加，双向效应逐渐减少，且即使是 第四个单向刺激试次，双向效应仍然显著。作者以每个试次平均用时 5s 来计算，双 向效应的时间持久性大约在 20s。 由于 meier 的研究中， 双向刺激的呈现概率为 20%， 每五个试次呈现一次，在最后一个试次中双向效应仍旧显著存在，所以有理由相信双 向效应持久力远不止 20s，本研究的另一个目的就是要探讨双向效应的时间持久性究 竟能维持多久。 1.6.2 研究意义研究意义 理论意义上，探明双向刺激对单向刺激任务的重要作用，双向刺激是通过何种渠 道影响单向任务的完成，转换代价中是否还有尚未被发现的成分。 实践意义上，在日常生活环境中，我们时常会遭遇许多信息，大多时候我们需要 在不同的信息且有冲突的信息间进行转换，面对如此复杂的情形，需要依赖于认知控 制协调行动与当前情境的关系， 对周围信息进行处理分析， 预防冲突解决冲突和矛盾。 双向效应反映了多任务之间的执行控制， 如何有效地在不同任务中转换才能使认知加 工的代价最小，从而使认知加工效率更高，提高工作和学习效率。 1.6.3 研究研究框架与框架与假设假设 本研究采用可预知的三联任务转换范式， 探讨双向刺激在任务转换中对单向刺激 的影响。对此设计了 4 个实验，实验一分别以颜色(1a)和大小(1b)作为单双向刺激的 共同特征，以验证双向效应是否为稳定的现象，探讨双向效应的持久力以及双向效应 是否来源于负启动，并为后续实验提供数据基础。实验二探讨在双向刺激的干扰特征 与其他单向刺激均无共同特征的条件下的双向效应。 实验三和实验四分别强化与双向 刺激无相关特征的单向刺激任务（符号大小任务）和有相关特征的单向任务(字母颜 色任务)，以探讨双向效应的来源问题。 任务转换中双向效应来源的实验研究 1 文献综述 15 综上所述，本研究的实验假设为： （1）在实验一的情况下，实验 1a 和 1b 均存在双向效应，即使是与双向刺激无 共同特征的单向刺激任务也存在双向效应，且双向效应具有时间持久性，但随着时间 延长，双向效应的大小迅速递减，负启动的观点并不能完全解释双向效应。 （2） 在实验二中，双向刺激的干扰特征与其他单向刺激均无共同特征的条件下， 并不存在双向效应，双向效应的存在依赖于冲突的存在。 （3）在实验三和实验四中，强化与双向刺激无相关特征的单向刺激任务，其双 向效应量比未强化的任务递减。而强化与双向刺激有相关特征的单向刺激任务，其双 向效应量比未强化的同期任务增加，双向效应可能来源于情境联结。 2 实验一 双向效应的验证 任务转换中双向效应来源的实验研究 16 2 实验一 双向效应的验证 2.1 研究目的和假设 2.1.1 研究目的研究目的 目的一：考察以颜色(实验 1a)或大小(实验 1b)作为双向刺激的相关特征时，双向 刺激是否对单向刺激存在影响，是否存在稳定的双向效应现象。 目的二： 将实验 1a 和实验 1b 的数据进行对比， 考察双向效应是否来源于负启动。 目的三：实验 1a 的数据与实验三和实验四进行对比，考察双向效应是否来源于 情境联结。 2.1.2 研究假设研究假设 假设一： 混合区组中的单向刺激任务的反应时显著比纯区组相应任务的反应时要 长，存在明显的双向效应。 假设二：即使单双向刺激没有共同特征时，该单向刺激任务同样也会出现双向效 应。 假设三：双向效应量随时间推移而递减。 2.2 研究方法 2.2.1 被试被试 苏州大学的学生 21 名，由于单向刺激任务的正确率低于 70%，删除一名被试数 据，剩余有效被试 20 人，男性 6 人，年龄 19-24 岁，视力或矫正视力正常，无色盲 色弱者。实验 1a 和实验 1b 为同一批被试，两个实验顺序在被试内平衡。 2.2.2 实验材料实验材料 单向刺激分三类，分别为符号刺激、字母刺激和数字刺激。符号刺激是以黑色呈 现的#、$、%、 waszak et al., 2003; woodward et al., 2003)。meier等(2009)采用视听通道相结合 的方式，与双向刺激无共同特征的单向刺激以听觉方式呈现，其他刺激以视觉呈现， 同样具有显著的双向效应。 实验1a和实验1b中双向刺激与单向刺激的反应时无显著差异。 这一结果与前人研 究结果有所不一致(meier et al., 2009; woodward et al., 2003)，woodward(2003)认为单 向刺激与双向刺激的区别是单向刺激仅有一个与任务相关的特征或属性(如颜色)，且 只有一个特征-反应映射(红色对应红色反应按键)。相反，双向刺激有两个任务相关的 属性(颜色和字母的大小写)，也有两个特征-反应映射。如