（生物物理学专业论文）双稳态图形视觉的时间特性及有关注意和围棋的fmri研究.pdf

中文摘要 中文摘要 人类的视觉系统在处理某些不确定的图形时，会产生两个知觉解释或知觉表征。这 些知觉表征相互竞争，交替出现在视觉意识中，视觉系统因而处于一种双稳态。这种不 确定的图形被称为双稳态图形，对它们的视觉加工称为双稳态图形视觉。 研究双稳态图形视觉有这样两个重要意义：( 1 ) 有助于人们理解视觉系统的组织及 对视觉信息的解释，( 2 ) 它和视觉意识等重要理论问题有关系。 双限竞争和单眼竞争都是双稳态图形视觉的例子。双鼹竞争是在什么之间竞争，它 发生在什么地方，单眼竞争和双眼竞争有什么异同，都是还存在许多争议的问题。要回 答这些问题，一个重要的途径就是研究双眼竞争和单眼竞争的时间特性。本论文的第一 部分实验研究中，汇报了三个有关双眼竞争和单眼竞争时间特性的实验。在实验一和实 验二中，采用双眼竞争和单眼竞争的知觉转换率为观察指标，我们发现两者的转换率部 存在着视野的不对称性：对右利手被试来说，在下视野的转换率要高于在上视野的，在 右视野的转换率要高于在左视野的。这个结果表明，在双眼竞争和单眼竞争的知觉表征 中，还保持着刺激的视野起源信息。这就意昧着，它们受到了具有视网膜定位特性的、 处于视觉系统低级阶段的加工机制的影响。 在实验三中，我们研究了一个最近才报告的有关双稳态图形视觉的时削特性的现 象：双稳态图形视觉的稳定化效应。在通常连续呈现的情况下，双稳态图形视觉会发生 两个知觉表征在视觉意识中交替转换；但是，在间断呈现双稳态图形的条件下，这种知 觉转换率会降低，甚至不发生转换，而只有一个知觉表征保持在视觉意识中。这个现象 被称为稳定化效应。在我们的实验中，发现产生稳定化效应的一个关键因素是，双稳态 图形必须间断呈现在视网膜上相同的位置。如果呈现在不同的位置，则可以在这两个位 置上独立地、平行地产生稳定化效应。此外，在双眼竞争的实验中，我们发现稳定化效 应还和裁激的眼睛起源的信息有关。这些结果都表明，稳定化效应也受到了具有视网膜 定位特性的、处于视觉系统低级阶段的加工机制的影响。 综合这三个实验的结果，我们可以认为，双稳态图形视觉的时间特性受到了具有视 网膜定位特性的、处于视觉系统低级阶段的加工机制的影响。这个结果不支持认为双稳 态图形视觉中的知觉表征的交替转换发生在视觉系统的高级阶段、甚至发生在视觉系统 中文摘要 之外的观点，而支持知觉转换发生在视觉系统的低级阶段的观点。 功能核磁共振成像( f m r i ) 是近年来发展起来的研究人脑的功能及其机制的新方法。 有了这种研究方法，人脑这个黑箱子就开始被打开了。因此，掌握f m r i 技术，是从事 认知神经科学研究的重要素质之一。f m r 的实验设计有许多种，例如参数研究法和经 典的减法设计。本论文的第二部分实验研究中，报告了两个实验，分别涉及这两种设计 方法。在实验一中，研究了注意对光栅图形对比度反应的调节机制，采用的是参数研究 法。我们首先利用高分辨率的f m r i 数据获得被试的视网膜定位图，即确定初级视觉皮 层各区域的分布。然后分别收集注意和非注意条件下，不同对比度水平的f m r i 数据， 并参考前面所得到的视网膜定位图，作出初级视觉皮层不同区域的对比度反应曲线 ( c r f ) 。通过比较注意和非注意条件下的c r f ，我们发现，注意对c r f 的调制包括两 个成分：( 1 ) 使c r f 整体升高的一般增强效应，( 2 ) 使c r f 左移的对比度增强效应。本 实验是首次利用f m r i 研究注意对初级视觉皮层各个区域c r f 的调制机制，其结果对理 解注意的功能和机制有重要的意义。 在第二部分的实验二中，报告了有关围棋的神经机制的f m r j 研究，采用的是经典 的减法设计。结果表明，下围棋需要一个皮层区域网络的参与。这个网络包括额叶、项 叶、颢叶、枕叶以及后扣带区的多个区域，这些区域的功能与注意、空间知觉、想象、 工作记忆的操作和储存、事件记忆的提取、以及问题解决有关。在这个实验中，我们发 现下围棋时表现出右侧顶叶的优势，这可能与它更依赖空间认知加工有关。另一个有趣 的发现是，额叶的通用智力区在下围棋时可能并不起很重要的作用。产生这个结果的一 个可能的原因是- 我们在实验中采用的是围棋的布局阶段。在这个阶段中，棋手可能更 多地依赖经验而不是分析和计算来下棋。而通用智力区和分析、计算有很大的关系。此 外，还有一个可能性，即下围棋依靠的不是“通用”的智力，而是其它更反应人类智力 本质的智力。这个结果发表后，很快引起国际学术界的注意。“n a t u r e ”网站的s c i e n c e u p d a t e 和“t r e n d si nc o g n i t i v es c i e n c e s ”分别发表专文介绍这一研究成果( 详见附录) 。 2 a b s t r a e t a b s t r a c t w h e n v i e w i n gc e r t a i na m b i g u o u sf i g u r e s ，h u m a nv i s u a ls y s t e mu s u a l l yg e n e r a t e st w o p e r c e p t u a li n t e r p r e t a t i o n so f t h e s ef i g u r e s ，a n dl a p s e si n t op e r c e p t u a la l t e r n a t i o n so ft h e s e r i v a li n t e r p r e t a t i o n si nv i s u a la w a r e n e s s t h i sp h e n o m e n o ni sc a l l e db i s t a b l ev i s i o n ，a n dt h e a m b i g u o u sf i g u r e sa r ec a l l e db i s t a b l ef i g u r e s s t u d yo n t h em e c h a n i s mo fb i - s t a b l ev i s i o n ，o r i no t h e rw o r d s , t h ed e s t a b i l i z a t i o no fn o r m a l v i s i o n ，w i l lp r o v i d ev a l u a b l ei n f o r m a t i o no nh o w v i s u a lp e r c e p t i o ni s o r g a n i z e da n dv i s u a ls t i m u l u si si n t e r p r e t e d b i - s t a b l ev i s i o ni s a l s o t h o u g h t t ob eat o o lf o r i n v e s t i g a t i n gt h en e u r a lc o n c o m i t a n t s o fv i s u a la w a r e n e s s b i n o c u l a rr i v a l r ya n dm o n o c u l a rr i v a l r ya r et w oe x a m p l e so fb i - s t a b l ev i s i o n s o m e i s s u e sa b o u tt h e s et w op h e n o m e n as t i l lr e m a i nc o n t r o v e r s i a l ，s u c ha sw h a tr i v a l s d u r i n g b i n o c u l a rr i v a l r y , w h e r ed o e s r i v a l r yh a p p e n ，w h a ta r et h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e n m o n o c u l a ra n db i n o c u l a rr i v a l r i e s a s t r a i g h t f o r w a r dw a yt oa p p r o a c ht h e s e i s s u e si st o i n v e s t i g a t et h et e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c so f b i s t a b l ev i s i o n i nt h ef i r s tp a r to f t h i sd i s s e r t a t i o n ， w er e p o r tt h r e ee x p e r i m e n t so nt h et e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c so fb i n o c u l a ra n dm o n o c u l a r r i v a l r i e s i nt h ef i r s tt w oe x p e r i m e n t s ，w ef o u n dav i s u a lf i e l d a s y m m e t r yi nt e m p o r a l c h a r a c t e r i s t i cf o rb i n o c u l a ra n dm o n o c u l a rr i v a l r i e s ：t h ep e r c e p t u a la l t e m a t i o nr a t ew a s h i g h e r i nt h er i g h tv i s u a lf i e l dt h a nt h a ti nt h el e f t ，a n di tw a s h i g h e r i nt h el o w e rv i s u a lf i e l dt h a nt h a t i nt h eu p p e r t h e s er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei n f o r m a t i o na b o u tt h ef i e l d o f - o r i g i ni sm a i n t a i n e d i nr i v a l r y ，s u g g e s tt h a tt h ec o n t r o lo f p e r c e p t u a la l t e r n a t i o ni sl i k e l yar e t i n o t o p i c a l l yl o c a la n d l o w l e v e lp r o c e s s i nt h et h i r de x p e r i m e n t ，w e i n v e s t i g a t e d ar e c e n t l yr e p o r t e dp h e n o m e n o na b o u tt h e t e m p o r a l c h a r a c t e r i s t i co fb i - s t a b l e v i s i o n ：p e r c e p t u a l s t a b i l i z a t i o n e f f e c t n o r m a l l y t h e p e r c e p t u a la l t e r n a t i o n so c c u rw h e n b i - s t a b l ef i g u r e sa r ev i e w e dc o n t i n u o u s l y t h i sp e r c e p t u a l a l t e r n a t i o nc a nb es l o w e dd o w n ，a n de v e nb r o u g h tt oas t a n d s t i l l ，i ft h es t i m u l ia r ep r e s e n t e d i n t e r m i t t e n t l y w ef o u n dt h a tak e yf a c t o rf o rs t a b i l i z a t i o nw a s t op r e s e n tt h es t i m u l u st ot h e s a m el o c a t i o no nt h es u b j e c t sr e t i n a i ft h eb i s t a b l ef i g u r e sw e r e p r e s e n t e dt ot h ed i f f e r e n t l o c a t i o n s ，s t a b i l i z a t i o nc o u l dh a p p e ni n d e p e n d e n t l yo nt h e s el o c a t i o n s i na d d i t i o n ，w ef o u n d t h a tt h es t a b i l i z a t i o ne f f e c tw a sr e l a t e dt ot h e s u b j e c t se y e ，n o tt o t h es t i m u l u s d u r i n g b i n o c u l a rr i v a l r y t h e s er e s u l t ss u g g e s tt h a tt h ec o n t r o lo ft h es t a b i l i z a t i o ne f f e c ti sa l s ol i k e l y ar e t i n o t o p i c a l l yl o c a la n dl o w - l e v e l p r o c e s s 3 a b s t r a c t i ns u m m a r y , t h er e s u l t sf r o mt h e s e t h r e e e x p e r i m e n t ss u g g e s t t h a tt h e t e m p o r a l c h a r a c t e r i s t i c so fb i s t a b l ev i s i o na r ea f f e c t e db yt h er e t i n o t o p i c a l l yl o c a la n dl o w l e v e l m e c h a n i s m s t h i sr e s u l ta r g u e sa g a i n s tt h em o d e l st h a ts u g g e s tt h a tt h ep e r c e p t u a la l t e r n a t i o n i ss i t u a t e di nh i g h - l e v e lv i s u a la r e a s ，e v e no u t s i d eo fv i s u a ls y s t e m o u rf i n d i n g ss u p p o r tt h e v i e wt h a tal o w - l e v e lp r o c e s sc o n t r o l st h ep e r c e p t u a la l t e r n a t i o ni nb i s t a b l ev i s i o n f u n c t i o n a lm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ( f m r i ) i san e wt e c h n i q u ef o rs t u d y i n gt h e n e u r a lb a s i so fh u m a nb r a i nf u n c t i o n s i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h es t u d e n t si nc o g n i t i v e n e u r o s c i e n c et ol e a mt ou s et h i sp o w e r f u lt o o li nt h e i rs t u d i e s i nt h es e c o n dp a r to ft h i s d i s s e r t a t i o n ，w er e p o r tt w oe x p e r i m e n t su s i n gf m r i i nt h ef i r s te x p e r i m e n t ，w es t u d i e dt h e a t t e n t i o nm o d u l a t i o no nt h ec o n t r a s tr e s p o n s ef u n c t i o n ( c r f ) t oal i n e a rs i n ew a v eg r a t i n gi n d i f f e r e n tv i s u a la r e a sw i t ht h ed e s i g no fp a r a m e t r i cs t u d y r e t i n o t o p i cm a pw a sf i r s t l y o b t a i n e db ya n a l y z i n gt h ef m r id a t ac o l l e c t e di nt h er e t i n o t o p i cs c a n sw i t hh i g hs p a t i a l r e s o l u t i o n t h e n ，t h ec r f sf o rd i f f e r e n tv i s u a la r e a sw e r ep l o t t e dr e s p e c t i v e l yf o ra t t e n d e d a n dn o n a t t e n d e dc o n d i t i o n s t h r o u g hc o m p a r i n gt h ec r f sf o ra t t e n d e da n dn o n a t t e n d e d c o n d i t i o n s ，w ef o u n dt h a tt h ea t t e n t i o nm o d u l a t i o no n t h ec r f sc o n s i s t so ft w o c o m p o n e n t s ： ( 1 ) t h eg e n e r a le n h a n c e m e n tc o m p o n e n t ，a n d ( 2 ) t h ec o n t r a s tg a i nc o m p o n e n t t h i si st h ef i r s t f m r i s t u d yo n t h ea t t e n t i o nm o d u l a t i o no nt h ec r f si nv a r i o u sh u m a nv i s u a la r e a s i t sr e s u l t s w i l lh e l pu su n d e r s t a n dt h ef u n c t i o na n dm e c h a n i s mo f a t t e n t i o n i nt h es e c o n de x p e r i m e n to ft h es e c o n dp a r t ，w er e p o r tas t u d yo nt h en e u r a lb a s i so fg o p l a y i n gu s i n gn o r m a lb l o c k - d e s i g nm e t h o d t h er e s u l t ss h o w e d t h a tg o p l a y i n gr e q u i r e st h e p a r t i c i p a t i o no f an e t w o r ko fc o r t i c a la r e a s ，i n c l u d i n gt h ef r o n t a l ，t h ep a r i e t a l ，t h ep o s t e r i o r c i n g u l a t e ，t h eo c c i p i t a l ，a n dt h ep o s t e r i o rt e m p o r a la r e a s t h e s ea r e a sa r eg e n e r a l l ye n g a g e d i n a t t e n t i o n ，s p a t i a lp e r c e p t i o n ，i m a g e r y , m a n i p u l a t i o na n ds t o r a g ei nw o r k i n gm e m o r y , r e t r i e v a l i ne p i s o d i cm e m o r y , a n d p r o b l e ms o l v i n g i nt h i se x p e r i m e n t ，w ef o u n dt h a tg op l a y i n gw a s l a t e r a l i z e di nr i g h tp a r i e t a la r e a i tm a yb ea t t r i b u t e dt ot h es p a t i a lp r o c e s s e so nw h i c hg o p l a y i n gi s m o r ed e p e n d e n t a n o t h e ri n t e r e s t i n gf i n d i n gi st h a tt h eg e n e r a li n t e l l i g e n c ea r e a ( g a r e a ) d i dn o tp l a y a l li m p o r t a n tr o l ei ng o p l a y i n g ap o t e n t i a le x p l a n a t i o nf o r t h i sr e s u l t i st h a tt h eg ot a s ku s e di nt h i ss t u d yw a sc o n f i g u r e d 嬲t h ee a r l ys t a g eo fg o p l a y i n g ，s ot h e p l a y e r sr e l i e do nt h e i re x p e r i e n c e sr a t h e rt h a no nt h ec o m p u t i n ga n da n a l y z i n gw h e nt h e y p e r f o r m e d t h i st a s k t h ea n a l y t i ci n t e l l i g e n c ei sr e l a t e dt ot h e g a r e a a n o t h e rp o s s i b i l i t yi s t h a tg o p l a y i n gi n v o l v e so t h e rh u m a ns p e c i f i c ，b u tn o t “g e n e r a l ”，i n t e l l i g e n c e 4 论文导言 论文导言 认知神经科学的重要任务，就是通过对人脑的研究，认识和发掘人脑的功能。一般 认为，人脑是迄今为止人类所认识的最为复杂的系统。自从有了人类文明以来，人们就 在探索自己身心的奥秘。随着科学技术的发展，对于人脑的研究也不断深入和扩展，人 们逐渐揭开了覆盖在人脑之上的神秘面纱。人脑的功能，从最基本的感觉和运动的控制 ( 这是几乎所有动物都具有的功能) ，到知觉、记忆和注意，到语言、思维、意识和情 感等等，分为从低级到高级的不同的认知水平。然而，这只是一种人为的划分，人脑功 能的各级水平之间，应该是相互联系、相互影响的。例如，高级水平的认知加工( 如下 棋) 需要来自低级水平( 如感觉) 的输入信息，而低级水平的加工( 如感觉) 也受到高 级水平加工的影响( 如注意对感觉功能的调制) 。因此，进行多水平的整合研究，是认 知神经科学中的一个新方向。 人之所以区别于其它动物的地方，就在于人脑的高度复杂性、完善性、特别是高度 的智能性。正是由于人脑的这个特点，研究人脑的方法也是多种多样的。传统的认知心 理学方法( 有时也称为行为学的方法，以区别予脑功能成像的方法) ，通过精巧的实验 设计，从输入( 刺激任务) 和输出( 反应) 之间的关系来推测人脑的加工过程和机制。 在这里，人脑是一个黑箱子，人们并不能确定它究竟在干什么。神经心理学的方法，通 过观察各种各样的脑损伤病人的功能的损害或逐渐退化，来分析损伤脑区对功能的影 响，从而推测相应脑区的正常功能及其加工机制。由于脑损伤的部位、大小和性质各不 相同，脑损伤的病人可遇而不可求，很难进行定位精确的系统性的研究。神经生理学的 方法，则是通过研究从低等到高等动物的神经系统的功能及其机制，来间接地认识人脑 和其它动物的神经系统所具有的共性的成分。虽然这个时候的脑( 动物的) 不再被看作 是黑箱子，采用这种方法也获得了许多开创性的研究成果，但是从整体上而言，动物的 脑或神经系统与人脑相比有很大的不同，而且从单个神经元的活动模式，也很难完全、 准确地归纳出整个脑( 包括动物脑和人脑) 的功能模式。( 人) 脑功能成像( n e u r o i m a g i n g ) 的方法，特别是上个世纪9 0 年代发展起来的功能核磁共振成像( i m r i ) 技术，给研究 人脑带来了前所未有的机遇：人们可以无损伤地研究人脑的结构和功能，及其活动的机 制。人脑这个黑箱子被打开了。不过，脑功能成像技术也有其局限性。例如，f m r i 的 9 论文导言 时间分辨率就比较低，脑电的空间分辨率也比较差，等等。由此可见，这些研究人脑的 方法都各有所长，也各有所短。最好的方法是综合利用，取长补短。 从上述这些讨论中可以知道，采取综合的方法，从多水平整合来研究人脑，是当前 认知神经科学的研究发展方向。因此，具备这种综合的研究素质和经验是很重要的。本 人在学习和工作中，正是朝着这个方向努力的。 本人在硕士研究生的学习阶段，曾经从事过听觉神经生理学的研究，并且长期承担 生理学和生理学实验的教学任务，因而具有一定的神经生理学的研究和知识背景。在博 士研究生学习期间，非常注意自己的综合研究素质的培养。在早期学习阶段，在中国科 学技术大学生命科学学院张达人教授的认知神经心理学实验室，主要进行工作记忆和注 意方面的认知心理学研究，已有多篇论文发表在“中国科学”和“心理学报”上。其间， 还和临床医生合作，研究利用记忆任务来进行老年性痴呆( a l z h e i m e r sd i s e a s e a d ) 的 早期诊断的可能性，结果也发表在“心理学报”上。在完成这些行为学和神经心理学实 验的同时，开始学习f m r i 的实验技术和数据处理技术，并且作为主要参加者之一，完 成了两个f m r i 实验研究( 一个有关围棋，一个有关工作记忆) ，结果都发表在“c o g n i t i v e b r a i n r e s e a r c h ”上。在后期阶段，本人作为访问学者在美国明尼苏达大学心理学系何生 博士的实验室学习和工作，主要进行双稳态图形视觉的时间特性的行为学研究，以及有 关注意调制机制的f m r i 研究。在此期间，已有一篇相关论文发表在“v i s i o nr e s e a r c h ” 上，另有两篇论文正在写作之中。 由于本论文的篇幅有限，本人所完成的有关工作记忆的研究内容没有在论文中加以 报告。论文的实验研究包括两个部分：第1 部分针对双稳态图形视觉的时间特性进行了 相对系统的研究，共完成了三个相应的实验，已有一篇相关论文发表在“v i s i o nr e s e a r c h ” 上，另有一篇论文正在写作之中：第1 i 部分采用不同的f m r i 实验设计方法，对注意及 围棋的神经机制分别进行了研究，其中有关注意的论文正在写作之中，而有关围棋的文 章己经发表在“c o g n i t i v eb r a i nr e s e a r c h ”上，并且受到国际学术界的注意，“n a t u r e ” 网站和“t r e n d si nc o g n i t i v es c i e n c e s ”分别发表专文加以介绍( 详见附录) 。 由此可见，本人在完成这篇博士论文的过程中，接受了系统性、综合性研究能力的 训练，并且基本掌握了这些能力，从而为进一步从事认知神经科学的研究打下了良好的 基础。 1 0 文献综述 文献综述 双稳态图形视觉的时间特性及其机制 人类的视觉系统在处理各种各样的视觉信息时，在绝大多数的情况下是确定的、稳 定的。然而，在面对某些不确定的( a m b i g u o u s ) 图形时，视觉系统会处于一种不稳定 的状态，或处于双稳态( b i s t a b l e ) 。图1 显示了一些不确定图形的例子。这些图形之所 以被称为不确定的图形，是因为视觉系统根据它们所提供的信息，可以产生不同的知觉 解释( 或知觉表征) 。这就造成这样一种情况：在同一时间、同一空间位置上存在两个 不同的物体。这是一种相互矛盾的、在实际生活中一般不可能出现的现象。对于这种情 况，视觉系统的解决办法是，这些相互矛盾的知觉表征交替出现在视觉意识中( v i s u a l a w a r e n e s s ) ：一种知觉表征在某一段时间内占优势( d o m i n a n t ) ，另一种知觉表征则被压 制( s u p p r e s s e d ) ；然后，两者交替( a l t e r n a t i v e l y ) 处于占优势或被压制的状态。我们把 这种不确定的图形称为双稳态图形，对它们的视觉加工称为双稳态图形视觉。 从双稳态图形的这些特点，以及视觉系统的处理方式来看，研究双稳态图形视觉有 这样两个重要意义：( 1 ) 了解视觉系统的有序性、稳定性是如何被改变的，视觉系统是 如何处理这种特殊情况的，可以从一个侧面认识视觉系统的组织以及它对输入信息的再 建与解释；( 2 ) 双稳态图形的物理刺激是一样的，但是视觉系统可以产生两个不同的知 觉表征，而且在某一个时间段内，只有一个表征可以出现在视觉意识中。认识视觉系统 是如何在这两个不同的知觉表征之间相互转换的，转换的部位在哪里，可以帮助我们理 解视觉意识是如何产生的，这是认知神经科学的基本问题之一。因此，有越来越多的认 知科学家和神经科学家对双稳态图形视觉的研究产生了兴趣，把这些图形看作是研究视 觉组织和视觉意识的工具( ”b l a k e ，2 0 0 1 ；1 2 1 b l a k ea n dl o g o t h e t i s ，2 0 0 2 ) 。 在双稳态图形视觉当中，得到最广泛关注和研究的，是双眼竞争( b i n o c u l a rr i v a l r y ) 现象。这方面的研究内容很多，涉及面也较广。由于本论文的篇幅有限，仅就双眼竞争 的时间特性及其机制加以综述。此外，还简单论述一下其它双稳态图形视觉的时间特性 及其机制。之所以选择双稳态图形视觉的时间特性，是因为它涉及到是什么机制驱动两 个知觉表征交替转换的，这种交替转换的时间过程有什么特点等重要问题，因而是双稳 1 1 文献综述 ( b ) o o 兮 oo 一 l e f t e y e砧g h t e y e 图1 一些不确定图形的例子。( a ) 旋转圆球( r o t a t i n gs p h e r e ) ，由 于组成圆球的点相对运动，由运动知觉形成的圆球可能自左向右 旋转，也可能自右向左旋转。f b ) q u a r t e r d o t s ，在图中两个位置来 回跳动，知觉可以是红色的点左右、或上下摆动。f c ) n e e k e f c u b e ， 正方体的前后两个面可以在前后不同的深度之间交替变化，因而 肴起来象两个不同的正方体。( d ) r u b i n sv 目柏脱，可以是花瓶 也可以是人脸。( e ) 单眼竞争，知觉可以在红色4 5 0 和绿色1 3 5 0 光 栅之闻交替变化。 o 双眼竞争，左眼看红色光栅，右眼看绿色光 栅，知觉在红色和绿色光栅之间交替变化。( a ) 、( c ) 、( c ) 都可以称 为单眼竞争的图形。 态图形视觉研究中最基本的方面之一。 1 双眼竞争的时间特性及其机制 1 1 什么是双眼竞争 文献综述 双眼竞争描述的是当两眼分别接受不同的图形刺激，而这两个图形又不能融和时， 人的知觉表现为一段时间看见一个图形，一段时间看见另一个图形，并在两个图形之间 交替转换( a l t e r n a t e ，见图l f ) 。双眼竞争的现象首先由p o r t a ( 1 5 9 3 ) 加以描述，d u t o u r ( 1 7 6 0 ) 则进一步详细阐述了颜色和形状的双眼竞争。不过，第一次对它进行系统性研 究的，是s i rc h a r l e sw h e a t s t o n e ( 1 8 3 8 ) 。自此以来，对双眼竞争的研究经历了将近两个 世纪( 3 1 w a d e ，1 9 9 8 ) 。近年来，由于对视觉意识问题的普遍关注，双眼竞争也引起了更 多人的兴趣( ”b l a k e ，2 0 0 1 ；【2 】b l a k ea n dl o g o t h e t i s ，2 0 0 2 ) ：为什么两个图形刺激始终存 在，但是在视觉意识中的某一段时间内只会有一个图形出现( 或者说占优势) ，而另一 个图形则可以完全消失( 或者说被压制) 。 在双眼竞争的研究中，一个很基本的问题是：是什么机制驱动两个刺激图形在视觉 意识中交替转换? 要理解这个问题，一个重要的方向就是研究双眼竞争的时间特性 ( t e m p o r a ld y n a m i c s ) ，即研究双眼竞争中某个图形占优势的时间( d o m i n a n c et i m e ) 和 被压制的时间( s u p p r e s s i o n t i m e ) ，以及双眼竞争转换率( a l t e r n a t i o nr a t e ，通常以1 分钟 内发生的转换次数来表示) 的影响因素。此外，研究双眼竞争本身的性质，如双眼竞争 是在什么之间发生的竞争，它是在视觉系统的什么地方发生的，也是很重要的基本问题。 1 2 双眼竞争的时间特性 双眼竞争的建立需要一定的时间。如果两个进行竞争的刺激呈现的时间非常短，则 不会产生双眼竞争，而是两个图形相互叠加在起( 4 1 w o l f e ，1 9 8 3 ；t z l b l a k e e ta 1 ，1 9 9 1 ) 。 如果两个刺激进行快速的呈现一消失一呈现一消失的闪烁( f l i c k e r ) 变化，也不会产生 双眼竞争( 陋1 0 。s h e aa n dc r a s s i n i ，1 9 8 4 ) 。在通常的情况下，要知觉到双眼竞争的发生，至 少需要将刺激呈现几百毫秒的时间( b l a k e ，2 0 0 1 ) 。此外，当一个刺激被压制时，在此 被压制刺激的位置上施加一个突然发生的( o n s e t ) 变化，如加上另一个刺激，或突然 改变刺激的某种属性，会立刻使被压制的刺激变成为占优势的刺激。这些现象表明，双 眼竞争对短暂的( t r a n s i e n t ) 变化很敏感( 0 1 b l a k e ，2 0 0 1 ) 。 在双眼竞争时两个刺激交替出现的过程中，每个刺激的占优势时间和被压制时间是 不规则的，或者说，是一个连续的随机过程( s t o c h a s t i c p r o c e s s ) ( 1 7 f o xa n dh e r r m a n n ，1 9 6 7 ： 8 1 b l a k ee ta 1 ，1 9 7 1 ； g l w a d e ，1 9 7 5 ； 1 0 l l e h k y , 1 9 9 5 ) 。而且，占优势时间或被压制时间的分 1 3 文献综述 布符合g a m m a 方程。 1 3 影响双眼竞争时间特性的因素 被试因素 双眼竞争的转换与被试因素和刺激因素都有关。在被试因素方面，眼动( o c u l o m o t o r ) 可以使刺激从被压制状态转为占优势状态。除此之外，被试很难做到立刻改变刺激的知 觉状态，也不能无限期地将一个刺激图形保持在占优势的状态( 】b l a k e ，1 9 8 8 ) 。还有研 究表明。注意能改变一个刺激图形在总体上的占优势时间。h e l m h o l t z f l 9 2 5 ) 本人的观察 结果表明，他可以通过对刺激中的线段进行记数而将注意集中在这个刺激上，从而延长 它的占优势时间。然而，即使是在这样的情况下，这个刺激还是会从占优势变为被压制 ( q b l a k e ，2 0 0 1 ) 。这表明，人们可以通过学习改变双眼竞争的转换率( 1 1 2 l l a c k ，1 9 6 9 ) 。注 意除了可以延长刺激的占优势时间，还可以影响刺激的被压制状态。如果将注意导入眼 睛上与被压制刺激相对应的区域，可以提前结束这个刺激的被压制状态( 1 3 o o ia n dh e ， 1 9 9 9 ) 。除了注意的调制作用以外，一些非视觉的因素，如感情、动机等也会对双眼竞 争的时间特性产生影响( ”l b l a k e ，2 0 0 1 ) 。例如，被人们所喜欢的刺激，其占优势的时间 可能比不喜欢的刺激要长。还有研究曾经试图把双眼竞争转换率和智力联系起来 ( 1 4j c r a i n ，1 9 6 1 ) ，但是这种观点似乎并不被人们所普遍认同( d 5 1 h o d g e sa n df o x ，1 9 6 5 ) 。 改变双眼竞争的时间特性的一个最直接的方法是改变刺激的某些因素。这些刺激因 素，常常指的是刺激强度( s t i m u l u ss t r e n g t h ) ，可以显著地影响双眼竞争的时间特性 ( ”l e v e l t ，1 9 6 6 ) 。例如，同时增加两个刺激图形的对比度( c o n t r a s t ) 可以提高转换率 ( a l e x a n d e ra n db r i c k e r , 1 9 5 2 ； 1 8 1 w h i t t l e ，1 9 6 5 ；t l g l h o l l i n s ，1 9 8 0 ) 。刺激图形的离心度 ( e c c e n t r i c i t y ) 的增大则降低转换率( 2 0 l b r e e s e ，1 9 0 9 ； 2 1 1 f a b l e ，1 9 8 7 ) 。其它一些有影响的 刺激因素有：亮度( 1 u m i n a n c e ) ( 2 2 f o xa n dr a s c h e ，19 6 9 ) 、轮廓线密度( c o n t o u r d e n s i t y ) ( l e v e l t ，1 9 6 6 ) 、空间频率( s p a t i a l 矗e q u e n c y ) ( 1 9 h o l l i n s ，19 8 0 ； 2 3 】f a l l l e ，19 8 2 ； 1 4 文献综述 2 4 1 a n d r e w sa n dp u r v e s ，1 9 9 7 ) 、大小( s i z e ) ( 【2 5 1 0 s h e ae ta 1 ，1 9 9 7 ) 、和速度( v e l o c i t y ) ( 2 6 1 w a d ee ta 1 ，1 9 8 4 ； 2 7 l b l a k ee ta 1 ，1 9 9 8 ) 等。一般来说，较强的刺激的占优势时间的百 分比较高。这种百分比的增高，大部分是因为较强刺激的被压制时间缩短所致( 1 1 6 l l e v e l t ， 1 9 6 6 ； 2 2 f o xa n dr a s c h e ，1 9 6 9 ) ，但也有研究表明占优势的时间也会增加( 2 s l m u e l l e ra n d b l a k e ，1 9 8 9 ； 2 9 1 b o s s i n ke ta 1 ，1 9 9 3 ) 。如果两个刺激的强度都增高，则它们的被压制时间 都减少，其结果是转换率的增加( 1 6 l e v e l t ，1 9 6 6 ) 。 刺激所处的视觉环境( v i s u a lc o n t e x t ) 也会对双眼竞争的时间特性产生影响，即有 意义的环境可以增加刺激的占优势时间，而对其被压制