数字空间表征的特性及可塑性

1、数字空间表征的特性及可塑性1何清华,李鹤,蒋挺,董奇北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室,北京(100875摘要:本研究通过四个实验考察了数字空间表征的特性及可塑性。实验一采用双手奇偶判断任务,在中国大学生被试身上发现了SNARC效应。实验二采用单手奇偶判断任务,也发现了SNARC效应。实验三发现从左至右稳定的空间启动能增强SNARC效应,而相反方向稳定的空间启动能削弱SNARC效应。实验四用空间方向的可变启动,在不同的启动方向上得到了相同的SNARC效应。研究结果表明SNARC效应不受反应键距离的影响;SNARC 效应具有一定程度的可塑性。关键词:SNARC,空间启动,可塑性分类号:

2、B8421.前言我们生活在一个数字的世界里,我们的生活被数字包围着、影响着人脑在面对数字的时候,不只是触发数量的感觉,还造成无法抑制的空间延伸感1。数字与空间的这种联结不是天生就有的,而是大脑在后天环境影响下逐步形成的2。最早由Dehaene等人3发现的SNARC效应为数字空间表征的这种联结提供了实验证据。SNARC效应即反应编码的空间-数字联结倾向(Spatial-Numerical Association of Response Codes,它是指被试在数字条件下进行某些并不涉及数量操作的实验任务,如数字奇偶判断过程中,被试的反应成绩会受到数字大小特征的干扰25。Dehaene等人3给被试

3、呈现一位数的数字,一半实验项目要求用左手-奇数、右手-偶数的判断,另一半实验项目要求相反,结果发现在反应时指标上较大的数字(如8,9表现出右手优势,较小的数字(如1,2则表现出左手优势。在随后的研究中他们还发现,SNARC 并非与左右手的反应相联结,而是与左右方向相联结;并且可能与书写习惯有关3。Dehaene 等人3认为SNARC效应反映了心理数字线(Mental Number Line是从左至右走向的,零在数轴的最左端,越大的数字越往右。Dehaene等人率先在成年人身上得到了SNARC效应,之后研究者开始陆续研究SNARC 效应的特性。其中很重要的证据来自于Fischer等人6的研究。F

4、ischer等人6给被试戴上眼罩,呈现听觉数字1、2和8、9,让被试进行奇偶判断。结果在通常的左右手平行反应情况下没有发现SNARC效应,而仅仅在左右手交叉的情况下才发现了SNARC效应。他们认为本体空间感觉对于形成数字空间表征的联结尤其重要。随后,研究者不仅在不同的实验范式中发现了SNARC效应,如奇偶判断7、大小比较8、音位操作7、数字串分半画线910、手指运动11以及眼动12;而且在不同的数字形式中发现了SNARC效应,如点阵13、阿拉伯数字7, 13、英文数字10, 13、听觉数字6, 13、中文数字1415甚至星期和月份1617。这说明SNARC效应具有跨任务和跨数字形式的稳定性。另

5、一方面,也有研究者向数字与空间联结的稳定性发起了挑战。在1998年,Bächtold 等人18用直尺和钟表任务发现了相反方向的SNARC效应。他采用1到11(6除外作为刺激,直尺任务中让被试将呈现的数字想象成直尺上的刻度,并将其与6cm进行比较,钟表任务则将呈现的数字想象成钟表上的刻度,并比较其早于6点还是晚于6点。结果发现在直1本课题得到国家攀登计划项目(95-专-05的资助。尺任务中,被试对小数字左手反应快于右手,对大数字右手反应快于左手;而在钟表任务中则刚好相反,对小数字右手反应快于左手,对大数字左手反应快于右手。如前所述,前人研究大都以双手平行进行反应,不管采用何种刺激呈现方

6、式(阿拉伯数字、言语数字、听觉数字、点阵等还是何种反应任务(如手指运动、音位操作。这种平行反应的方式可能混杂了被试的本体空间感觉,因为Fischer等人6的黑暗中SNARC效应仅仅在左右手交叉的情况下才发现了SNARC效应。如果SNARC效应受本体空间感觉的影响,那么SNARC效应将受按键距离的影响。因为,在合适的范围内,按键距离将影响本体空间感觉。那么相对于双手反应来说,单手的反应(鼠标左右键是否导致SNARC效应量的减少抑或SNARC效应的消失?其次,前人研究表明SNARC效应是一个稳定的效应。但是也有人发现了相反方向的SNARC效应18。既然数字与空间信息均在顶叶区域进行加工,数字的自动

7、化加工会对空间信息的加工造成影响,而SNARC效应又代表数字与空间表征的联结,那么空间信息的启动是否可以影响数字信息的加工进而影响数字与空间表征的联结(SNARC效应呢?如果可以,那么不同方向的启动是否会造成SNARC效应的方向上的改变,即是说SNARC效应是否具有可塑性?本研究通过四个实验考察SNARC效应的特性及其可塑性。实验一主要采用双手奇偶判断任务考察中国成人被试的SNARC效应,并与已有研究进行比较。实验二主要采用单手奇偶判断来检验本体空间感觉对SNARC效应的影响。实验三和实验四着重探讨SNARC效应的可塑性。2.实验一2.1 被试8名北京师范大学和北京邮电大学的本科生自愿参与了本

8、实验并在实验结束时获得报酬。其中男性7名,女性1名,年龄在20到24岁之间(平均21.75岁。所有被试均为右利手,视力正常或矫正视力正常。2.2 刺激实验材料为一位数视觉阿拉伯数字1到92,刺激呈现字体为Arial,字号48,实验注视点为“+”,与刺激数字的属性相同,注视点和刺激均呈现在屏幕中央。2.3 任务和程序被试坐在电脑前,刺激连续呈现,背景色为黑色,前景色为白色,屏幕分辨率为800×600。屏幕中央先呈现一个注视点“+”,300 ms后立即随机出现1到9的阿拉伯数字,被试的任务是判断所出现的数字是奇数还是偶数,用左右Shift键(左右手食指进行反应。刺激在被试反应后立即消失,

9、或者持续呈现3000 ms,间隔1000 ms后出现注视点,接着呈现下一刺激。实验分两个区块,分别对应不同的反应方向(左键奇数-右键偶数VS左键偶数-右键奇数,两个区块的呈现顺序在被试间平衡。每个区块内1到9数字重复8次,共72个刺激,呈现顺序随机,但相同数字不连续出现,连续刺激不出现超过三次的相同反应方向。每个区1在众多实验任务中均发现0的奇偶特征及不明显,被试常常需要问及0为奇数还是偶数3, 7, 13,因此,在本实验中未将0作为实验刺激。块实验前给被试10个练习刺激(奇偶各半,练习刺激的数据未进行统计分析,每个被试共接受刺激164个。2.4 结果分析被试的平均错误率为3.04%(不超过1

10、1.1%,平均反应时与错误率的相关系数为r(8 = -0.65,p>0.05,说明实验中没有速度-准确性权衡。剔除错误反应时以及3个标准差以外的正确反应时,最后得到的正确平均反应时如下图(图1所示。 图1 实验1平均反应时图正确反应时按照每个被试、每个数字的两种反应计算均值,进行了两种分析。首先,这些数据进行了2(反应方向:左反应、右反应×2(奇偶:奇数、偶数×4(数量:1-2、3-4、6-7、8-93×2(区块顺序的混合方差分析,顺序为被试间因素。结果发现顺序的主效应不显著,并且所有与顺序有关的交互作用均不显著(所有的p>0.05。奇偶效应也不显著,

11、F(1, 6=0.72,p>0.05,重复了Dehaene等人3的结果。数量的效应不显著,F(3, 18=0.64, p>0.05,即没有发现大小效应(Size-Effect,与Dehaene等人3及大多数实验的结果7, 13相反。反应方向的主效应显著,F(1, 6=9.80,p<0.05,右手反应比左手反应快18.3 ms,证明了右利手人的右手优势。奇偶与反应方向的交互作用显著,F(1, 6=10.27,p<0.05,显示在实验中产生了MARC效应。进一步的简单效应分析发现,MARC效应仅在偶数条件下出现(奇数:F(1, 6=1.50,p>0.05,偶数:F(1

12、, 6=12.62,p<0.01,在反应偶数时,右手比左手快53.8 ms。反应与数量的交互作用显著,F(3, 18=7.12,p<0.01,即出现了SNARC效应,对小数字的反应左手比右手快25.3 ms,对大数字的反应右手比左手快75.6 ms。没有其他任何交互作用达到显著。接着,按照Lorch和Myers20以及Fias等人4, 7提出的方法,计算出每个被试、每个数字的右手反应时减去左手反应时,得到差异反应时(dRT,用数量(MAG对其进行回归分析,得到回归方程:dRT = 37.15 8.40MAG,经检验斜率与0差异显著,t(7 = 2.57,p<0.05。即回归分

13、析也显示被试的SNARC效应(如图2所示。3数字5未纳入方差分析中,基于两方面的原因:有部分实验研究发现5的反应时与其他数字的反应时趋势不同13, 19;为了保持数量因素各水平的一致性。在随后的回归分析中,分析了所有的9个数字。 图2 实验1差异反应时与数量的关系图2.5 讨论实验1重复了Dehaene等人3的研究,在双手奇偶判断实验中出现了SNARC效应,同时也重复了Berch等人2以及Nuerk等人13的研究,发现了MARC效应。并且证明了SNARC 效应与MARC效应不存在交互作用(数量、反应方向、奇偶三者的交互作用不显著,重复了Nuerk等人13的研究。实验1没有发现数量的主效应,与前

14、人研究有一定的出入。究其原因,有两个方面:一方面,实验1未将数字0作为刺激呈现,而在大多数有数量主效应的研究中,0都是作为刺激呈现的,并且在这些实验中都发现0的反应时显著长于其他数字3, 7, 13。而实验1将0的效应排除了,可能造成各数量之间差异不显著。另一方面,实验1在进行方差分析的时候没有纳入数字5,而数字5在某些实验中被证明具有独特的属性13, 19,因此,排除数字5的方差分析可能造成各数量之间差异不显著。实验1用两种方法(方差分析和回归分析都发现了SNARC效应。但是,很明显,方差分析是不精确的,因为样本量很少,只有8个被试,而回归分析则考虑样本大小,可以在小样本的情况下进行分析。因

15、此,除Fias等人4, 7所提出的优势之外,对SNARC效应的回归分析还可以不考虑样本的大小,甚至可以对单个被试进行检验。3. 实验二3.1 被试36名北京师范大学的本科生和研究生(均未参加过实验1自愿参与了本实验并在实验结束时获得报酬。其中男性8名,女性28名,年龄在19到27岁之间(平均22.6岁。所有被试均为右利手,视力正常或矫正视力正常。3.2 刺激、任务和程序实验2实验材料为一位数视觉阿拉伯数字1到9,刺激呈现的属性(字体、字号、位置与实验1相同。实验程序也类似,被试的任务还是判断所出现的数字是奇数还是偶数,被试右手握鼠标,采用鼠标的左右键(食指和中指进行反应。刺激依然随即呈现,对相

16、同数字和相同反应出现的控制与实验1一致。实验也分为两个区块,分别对应不同的反应方向,两个区块的呈现顺序在被试间进行平衡。每个区块内1到9数字重复6次,共54个刺激,每个区块实验前给被试4个练习刺激(奇偶各半,练习刺激的数据未进行统计分析,每个被试共接受刺激116个。3.3 结果分析经统计,有4名被试(男性2名,女性2名的错误率超过了10%,剔除后剩余被试的平均错误率为4.01%(不超过9.2%,对于剩余被试,平均反应时与错误率的相关系数为r(32 = 0.18,p>0.05,证明实验中没有速度-准确性权衡问题。剔除了错误反应时以及3个标准差以外的正确反应时。实验2采用了回归分析的思想,计

17、算出每个被试、每个数字的右手反应时减去左手反应时,得到差异反应时(dRT,用数量(MAG对其进行回归分析,得到回归方程为:dRT = 38.02 8.87MAG,经检验斜率与0差异显著,t(31 =3.03,p<0.01。即回归分析显示被试出现了SNARC效应(如图3所示。 图3 实验2差异反应时与数量的关系图3.4 讨论通过回归分析,在实验2中也发现了显著的SNARC效应。实验1与2的主要差异在于双手反应和单手反应,即反应键间的距离不同:实验1为大约25 mm,而实验2则为大约2 mm。这种反应手和反应键间距离的差异会导致本体空间感觉的差异,实验1的本体空间感觉强于实验2。而在实验1和

18、实验2均出现的SNARC效应证明反应键之间的距离所引起的本体空间感觉差异对SNARC效应的影响并不大。但是这并没有推翻Fischer等人6的结果,还有待进一步验证。因为在他们的研究中让被试戴上眼罩,这种情况下不仅有本体空间感觉的改变,而且还有视觉空间线索的丧失(被试不能看到周围的空间线索。实验1和实验2还验证了Dehaene等人3的SNARC效应反应的是数字与空间反应方向的联结,而非与左右手联结的结论。在实验1中,被试的右手食指具有大数字优势,因为其对应右反应;而在实验2中,被试的右手食指具有小数字优势,因为其对应左反应。如果SNARC效应是与左右手反应相联结,那么不管在哪种情况下右手的食指都

19、应该对应大数字。4. 实验三4.1 被试34名北京师范大学的本科生(均未参加过实验1或实验2自愿参与了本实验并在实验结束时获得报酬。其中男性12名,女性22名,年龄在20到23岁之间(平均22.3岁。所有被试均为右利手,视力正常或矫正视力正常。4.2 刺激、任务和程序实验3实验刺激与实验2相同,均为一位数视觉阿拉伯数字1到9,刺激呈现的属性(字体、字号、位置与实验2也相同。在呈现刺激之前,先给被试呈现星号(*提示,字体Arial,字号48。实验程序如下图所示(图4。 图4 实验3实验程序示意图(仅画出从左至右的区块被试坐在电脑前,先给被试呈现星号提示,提示一共8个相同属性星号,连续呈现,如图5

20、所示,每一屏都比上一屏多一个星号,星号之间采用Arial 48号的空格填充。每一屏呈现时间为150 ms,星号提示总共呈现时间为1200 ms。提示之后紧接着呈现注视点“+”300 ms,接着呈现刺激,被试的任务还是判断所出现的数字是奇数还是偶数。被试右手握鼠标,采用鼠标的左右键(食指和中指进行反应,与实验2相同。刺激依然随即呈现,对相同数字和相同反应出现的控制与实验1一致。实验3分两个区块,分别对应不同方向的星号提示,两个区块的呈现顺序在被试间进行平衡。每个区块内1到9数字重复10次,共90个刺激,每个区块实验前给被试10个练习刺激(奇偶各半,练习刺激的数据未进行统计分析,每名被试共接受刺激

21、200个。与实验2不同,每名被试仅仅接受一种反应方向的反应,即反应方向在被试间进行平衡。4.3 结果分析经统计,所有被试的平均错误率为3.64%(不超过12%,平均反应时与错误率的相关系数为r(34 =- 0.30,p>0.05,证明实验中没有速度-准确性权衡问题。剔除了错误反应时以及3个标准差以外的正确反应时。 图5 实验3差异反应时与数量的关系图(空间启动方向:上图从左至右;下图从右至左4.4 讨论实验3通过不同方向的空间启动来考察SNARC效应的变化情况,结果发现空间的启动可以改变SNARC效应。根据心理数字线的理论假设,个体对数字的心理表征总是与空间有着联结的,正是这种联结造成了

22、SNARC效应。Dehaene等人3研究认为在从左至右的书写习惯的文化中,心理数字线的方向是从左往右走向的,因此会造成小数字左反应比右反应快,大数字正好相反的SNARC效应。大多实验研究发现,SNARC效应仅受文化书写习惯因素的影响,是一个稳定的效应。而实验3则证明SNARC效应并不是前人研究所发现的那么稳固,数字与空间的联结其实是可以被改变的。相同空间方向的启动可以促进SNARC效应,而相反空间方向的启动可以阻碍SNARC效应。实验3空间方向的启动与Bächtold等人2的做法不同。Bächtold等人的直尺与钟表任务是让被试想象数字是直尺或者钟表上的刻度,很大程度上基于

23、主动的有意识的加工,与奇偶判断中的数量的内隐自动激活不一致。而实验3采用启动的方式内隐地干扰SNARC效应,因为星号的启动与实验任务无关。5. 实验四5.1 被试、刺激、任务和程序参加实验3的34名被试随后自愿参与了本实验并在实验结束时获得报酬。实验4的刺激属性与实验3完全相同,只是将两个区块的刺激随机合并在一起,保证连续三个刺激不出现相同方向的启动,不出现相同反应方向,连续两个刺激不出现相同数字。反应方向在被试间进行平衡,整个实验前给被试10个练习刺激,每名被试共接受刺激200个。5.2 结果分析经统计,所有被试的平均错误率为4.14%(不超过7%,平均反应时与错误率的相关系数为r(34 =

24、 0.05,p>0.05,证明实验中没有速度-准确性权衡问题。剔除了错误反应时以及3个标准差以外的正确反应时,然后按照启动方向分别计算平均反应时。接着,按照实验3的方法分别对每种启动方向进行回归分析,得到回归方程为:dRT = 35.02 9.52MAG (从左至右启动;dRT = 44.88 11.02MAG (从右至左启动。经检验回归方程的斜率与0差异显著,t(33 = 2.39,p<0.05;回归方程的斜率与0差异也显著,t(33 = 2.99,p<0.05。可见空间的启动没有对SNARC效应造成影响(如图6所示。 图6 实验4差异反应时与数量的关系图(空间启动方向:左

25、图从左至右;右图从右至左5.3 讨论实验3发现SNARC效应受空间启动的影响,而实验4则发现这种空间的启动不影响SNARC效应。实验3与实验4的主要区别在于实验3的空间启动是稳定的,而实验4的空间启动是变化的。实验表明数字与空间的联结可以被稳定(或者说固定方向的空间启动所改变,而不能被变化的空间启动所改变,即是说SNARC效应是可变的,但是它的可塑性是有条件的,必须要稳定的空间启动。结合实验3和实验4,我们可以解释为什么大多前人的研究都发现稳定的SNARC效应23, 13, 21,而也有研究发现可变的SNARC效应2。在发现稳定的SNARC效应实验中,没有任何空间的启动,即在纯数字条件下发现了

26、SNARC效应。而在Bächtold等人2的实验中,直尺实验任务给了被试外显的从左至右的空间启动,因此在实验中获得了增强的SNARC效应(但由于Bächtold等人在研究报告中未曾做回归分析,也没有做类似本研究类似的对照实验1和2,这种解释尚且停留在猜测,需要更为确凿的证据证实。运用同样的原理可以解释钟表实验的反向SNARC效应的结果。6. 综合讨论本研究的4个实验考察了数字与空间联结的SNARC效应及其可塑性。实验1重复了前人的研究,得出在中国人身上也有类似的SNARC效应,并对考察SNARC效应的两种分析方法进行了比较。实验2将SNARC效应扩展到单手反应上,证明本体空

27、间感觉对SNARC 效应的影响并不大。实验3采用稳定的不同空间方向的启动得到了不同的SNARC效应,说明稳定的空间方向的启动可以改变SNARC效应,即是说SNARC效应是可变的。实验4采用可变的空间方向的启动,在不同的启动方向上得到了相同的SNARC效应,说明SNARC 效应不能被可变的空间方向的启动所改变;即SNARC效应虽然具有可塑性,但却是有条件的。6.1 心理数字线SNARC效应产生的原因实验1和实验2均发现了SNARC效应。但SNARC效应(小数字左反应比右反应快,大数字右反应比左反应快到底是怎么产生的?一直以来,对SNARC效应的实验研究都在探讨这个问题,但一直都没有揭开SNARC

28、效应的面纱,看到它产生的原因。对于SNARC 效应产生的原因,Dehaene等人1, 3提出的心理数字线的假说。他们认为,人脑对数字的表征是一条心理数字线,0在数字线的最左端,小数字偏左,大数字偏右。因此在判断小数字时(不管何种任务左反应快于右反应,判断大数字时则正好相反。这就是说人脑在表征数字数量的同时,将数量的大小与空间的方向结合起来,换句话说,人脑中所表征的数字是按空间排列的。心理数字线的假说能够很好地解释为什么在实验1和2中会出现SNARC效应,因此众多文献中都以这个理论来解释实验中所观察到的SNARC效应23, 13, 21。6.2 加工脑区的重叠SNARC效应改变的原因实验3和实验

29、4发现SNARC效应是可变的,具有可塑性,能够随着稳定的空间方向启动的不同而改变,但不能随着可变的空间方向启动而改变。SNARC效应为什么可以改变? Bächtold等人2发现了SNARC效应的改变,但很遗憾他们没能找到根本的原因。Fias等人在用数字作背景的实验中,仅仅在任务为空间和方向的判断上发现了SNARC效应,而数量信息对颜色、明度、形状等信息的加工不造成干扰22。前人研究发现数字的加工发生在顶叶2326。功能成像研究发现顶叶区域在加工空间信息时激活增多2729。因此,数字加工与空间加工的脑区存在重合,所以在Fias等人22的研究中任务无关的数字信息干扰了空间方向判断任务。也正是由于空间方向与数字加工的脑区重合,才导致了实验3的结果,空间方向的启动改变了SNARC效应。但是为什么实验4这种空间方向的启动又不起作用了呢?实验3采用的是两个区块的设计,每个区块内所出现的空间启动的方向都是一样的;而实验4空间启动的方向是变化的(连续相同的启动方向不超过三个。说明SNARC效应本身是比较稳定的,不能以极快的方式进行改变,而只能是慢慢地改变。这可能跟顶叶皮层神经元的特性有关,要有足够多的干扰信息才能干扰神经元对空间信息的加工。在Fias等人22的实验中也只是采用稳定的一种方向的启动(从左至右,既没有采