时间信息自动加工与控制加工的电生理学指标

尹华站　黄希庭

摘要人类时间信息加工的统一机制问题一直备受研究者关注。新近研究表明失匹配负波(MMN)是与时间信息自动加工有关的ERP成分，关联负变化(CNV)是与控制加工有关的ERP成分，而刺激遗漏电位(OSPs)既与自动加工又与控制加工有关。以三种ERP成分为指标的研究均为时间信息自动加工和控制加工的存在提供了可能的依据。未来研究不应该纠缠于自动加工和控制加工分界点的探究，而是着重从时间全程视角考察时距加工机制的特点。

关键词自动加工；控制加工；失匹配负波；关联负变化；刺激遗漏电位

分类号B842

1前言

Schneider和Shiffrin(1977)提出人类心理加工过程包括控制加工和自动加工等两类加工系统。控制加工是一种需要注意资源参与的加工，容量有限，可灵活应对变化着的客观环境，受个体有意识地控制；自动加工不受个体意识控制，无需注意资源参与，没有固定容量限制。人类没有特定时间感觉器官，却能利用时间信息来适应客观世界，这说明了人类存在特定的时间信息加工机制。那么这种时间信息加工机制是否也涉及自动加工和控制加工两类加工系统呢?随着认知神经科学的迅猛发展，已有一些研究者围绕这个问题做出了回答，譬如Lewis等人(2003)和尹华站等人(2006)在归纳了大量脑成像研究成果基础上提出了人类存在自动加工和控制加工两类计时系统，每一种系统分别由不同脑区负责。由此可见，以往研究已对时间信息加工统一机制问题提供了一些经验证据，但是并没有发现文献从电生理学角度对这一问题进行过系统地论述。本文旨在围绕失匹配负波(Mismatch Negativity，MMN)、关联负变化(Contigent Negative Variation，CNV)及刺激遗漏电位(omitted stimulus potential，OSP)等ERP成分对该问题进行阐释，这不仅为时间信息加工统一机制问题收集证据，而且为未来系统开展时间信息加工神经机制研究提供切实可行的方向。

2时间信息加工电生理学指标

2.1时间信息自动加工指标——MMN

MMN在1978年首先为N~tanen等报道(Naatanen,Gaillard，&Mantysalo,1978)。有研究发现在一列重复出现的标准听觉事件中随机插入一个偏差听觉事件，在这个偏差事件呈现之后150～250ms之间听觉皮层会诱发出明显MMN(Naatanen,Jacobsen，&Winlder,2005；Naatanen，Paavilainen，&Rinne，2007)。MMN产生的机理为中央听觉系统在偏差刺激出现之前已经对重复出现的标准刺激形成了一个内部表征，而一旦偏差刺激与内部表征发生冲突，MMN被诱发出来(Horvarth，Czigler&Sussman，2001；Naataneen1990)。MMN不仅在频率(Berti，Roebeg&SchrSger，2004；Sambeth，Huotilainen，&Kushnerenko，2006)、强度(Kisley，Noecker,&Guinther，2004)及空间定位(Tam&Ward，2005；Deouell，Pames，&Pickard，2006；Sonnadara，Alain，&Trainor，2006)等类型的偏差刺激，而且在节奏(Tervaniemi，Medvedev，&Alho，2000)和序列音调时距(Grimm，Widmann，&SchrSger，2004；Ylinen，Shestakova，&Huotilainen，2006)等类型偏差刺激出现时被诱发出来。在序列时距信息加工中，由偏差时距诱发的MMN可能与标准时距内部表征有关，这种内部表征实际上是对听觉事件标准时距信息编码的产物。当偏差时距呈现完毕后发现与标准时距内部表征存在冲突，继而诱发出MMN。有研究表明这整个过程似乎由特定神经元群激活而完成，且诱发出与其他刺激维度具有不同脑地形图的失匹配负波(Macar&Vidal，2004)。这说明了人类确实存在时间信息加工特异性MMN(赵仑，2004)。

既然存在特异性时间MMN，那么不同条件下的时距信息自动化加工应该会诱发出不同波幅的MMN。为此，研究者陆续进行了一系列探索，譬如Kujala等采用消极oddball范式间隔4～21天分别两次测量了被试在完成序列时距加工任务时记录的MMN，标准时距为120ms，占比例79％，偏差时距分别为20ms、60ms及lOOms，分别占7％，结果发现在两个阶段20ms～D60ms偏差时距呈现时均诱发出明显MMN，而100ms偏差时距呈现时没有明显MMN诱发出来(Kujala，Kallio&Tervaniemi，2001)。Kisley等以400ms为标准时距，385ms、370ms、355ms及340ms为偏差时距，偏差比例则相应为3.75％、7.5％、11.25％及15％，每一种偏差时距的比例为1／15，结果发现在无注意条件下MMN波幅随着时距偏差数量增大而显著地增高(Kisley，Davalos，&Laytona，2004)。由此看来，人类存在时间信息自动加工机制且随着自动加工偏差时距比例增大MMN波幅显著增高已得到一些证据的支持。

自从研究证实MMN波幅变化可以在时间信息自动加工系统的框架内得以诠释，一些研究就开始试图以MMN波幅为指标探讨时间信息加工的统一机制问题。譬如Grimm等在研究中分别以200ms和1000ms为靶时距，120ms和600ms为相应偏差时距，靶时距和偏差时距比例为9：1，每一种靶时距和相应偏差时距在同一个组块中随机出现，要求被试先后完成无注意和注意阶段的序列时距加工，每一阶段均包括长时距组块和短时距组块。为了比较这种失匹配效应，同时设计120ms和600ms时距加工的控制组任务，最后测量无注意条件和注意条件下听觉偏差时距诱发时的MMN波幅(偏差条件，控制条件)。结果表明，注意条件下不论短偏差时距还是长偏差时距均诱发出明显的MMN，而无注意条件下的长偏差时距无明显MMN诱发出来，这意味着在某一个时间点(1000ms)之上的无注意条件下时间信息加工不再是一种自动化机制(Grimm，Widmann&Sehr6ger,2004)。然而N~_nen等人(2004)在进行三项实验之后对这个问题提出了不同观点。Naatanen等研究发现在1秒以上时距匹配加工中也诱发出明显MMN，这说明了自动加工机制可能涉及到1秒以上时距加工；同时发现数百毫秒时距匹配加工中诱发MMN波幅显著高于1秒以上的时距匹配加工中诱发MMN波幅，这也意味着人类数百毫秒自动时距加工较秒以上的自动时距加工可能更为精确。

总之，MMN可能是自动时间信息加工的一项有效指标，且MMN波幅随着偏差时距与标准时距差异量的增大而增高。人类自动时间信息加工不但发生在数百毫秒，而且在秒以上时距加工也会出现，只是人类对数百毫秒时距自动加工更为敏锐。

2.2时间信息控制加工指标——CNV

时间信息控制加工系统一般指时间信息加工过程及有关的注意、记忆和决策等认知加工过程共同组成的系统。对于这个系统运作机制在众多经典时间心理学模型中已得以解释(Gibbon&Church，1984)，CNV最早由Walt和Cooper利用反应时测量范式而发现。在反应时实验中，安排以固定时间间隔(如1.5秒)先后呈现的两个刺激S1、S2，S1为预备信号，S2为命令信号，要求被试～旦觉察到s2就立即按键反应。结果在S1出现不久，就观察到脑电发生了负向偏转，直至S2出现后被试按键CNV消失(Walter，CoopeL&Aldridge，1964)。随着对时间信息加工电生理学机制研究的不断深入，研究发现CNV波幅与时间信息控制加工系统中某些加工过程是紧密联系的。譬如Macar等人(1999)在一项研究中要求被试尽可能准确地产生2.5秒时距，之后给出被试三种反馈：“太长(2.6～2.8秒)”，“合适(2.4～2.6秒)”，“太短(2.2～2.4秒)”。实验之后对CNV以反馈分类进行叠加，结果发现产生时距越长，CNV被幅越高。Macar等因此推测CNV波幅可能反映了时间脉冲累加过程中神经元激活情况，注意资源分配到累加过程越多，神经元激活强度越大，波幅越高。陈有国和黄希庭(2007)采用双任务实验范式探讨时间知觉注意调节的动态过程。通过指导语使被试按照比例将注意分配到声音刺激的时间属性与音调属性上，形成对时间因素不同注意程度的五种注意条件：T，完全注意时间；T>p，注意时间多于注意音调；唧，注意时间和注意音调一样多；t

自从研究证实CNV波幅变化可以在时间信息控制加工系统的框架内得以诠释，一些研究就开始试图以CNV波幅为指标探讨时间信息加工的统一机制问题。Gibbons(2004)等对2秒、4秒及6秒进行了时间复制任务，并记录了时间编码和复制过程诱发的CNV，并经过电流密度技术转换之后再进行分析，结果发现不管在编码阶段还是复制阶段CNV波幅的电流密度在三种时距条件下无显著差异，这意味着2秒、4秒及6秒具有共同加工机制。张志杰等人(2006)等采用时间两分法考察了不同长度时距加工过程中诱发出的CNV特征差异，结果发现1600ms比400ms加工过程诱发出更大的CNV，但是CNV波幅可能反映了来自起搏器所释放脉冲的累积过程。因此张志杰等认为研究结果可能并没有反映出不同时距加工机制的差异，而只是一种时间信息累积过程，即呈现刺激时距越长，在累加器中累积脉冲数目越多，CNV波幅越高。这些研究说明了CNV的出现均反映一种共同控制加工机制，这种加工机制不仅涉及数秒时距加工，而且也包含在数百毫秒的时距加工过程中。

总之，CNV可能是时间信息控制加工的一项有效指标，CNV波幅受分配到时间信息加工上注意资源的调节，CNV波幅不论在数百毫秒还是数秒时距加工中均涉及相同变化趋势，这一切证据均支持了人类存在时间信息控制加工系统。

2.3自动与控制加工共同指标——OSPs

如果MMN和CNV从各自角度证实了时间信息自动加工和控制加工的存在，那么OSP的出现则直接证实了自动加工和控制加工在时间信息加工机制中的共存。呈现给被试一系列规则事件，如果其中某一个事件缺失时，OSPs会在距离缺失事件某一固定时间点锁时出现(Macar&Vidal，2004)。OSPs是一种不需要任何外部刺激就能诱发出的内源性复合成份，正如先前的一些研究所强调的OSPs对应着时间学习的最初的形式。OSPs通常由一个较早出现的通道特异性负成分和一个紧随出现的峰值300ms左右的通道非特异性正成分组成。这两个子成分相继出现意味着时间信息加工可以发生在一般认知加工流程的不同阶段。通道特异性负成分表征时间信息加工的初级形式，而紧随出现的正成分可能代表了一种非特异性的时间信息加工的复杂形式，这种复杂的时间加工形式是独立于感觉通道的。

人类时间信息加工机制既包括自动加工和控制加工。一个非常重要的证据就是人类在高频刺激流中即使在没有注意分配的情况下也诱发出OSPs，而在低频刺激流中仅在注意遗漏刺激条件下才诱发出OSPs(Bullock，Karamiirsel，&Achimowiez，1994)。另有研究表明在较短刺激间隔条件下与注意无关的OSPs可能在动物脑皮层记录到(Bullock，Karamlirsel，&Hofiamnn，1993)，这种电位对应着时间信息加工的初级形式，是哺乳动物和低级物种的共同计时形式，极有可能是一种自动加工机制。与之对照的是，在较长刺激间隔条件下(例如3秒)在人类或者经过良好训练的小白鼠脑皮层记录到OSPs(Jongsma，Coenen，&van Rijn，2002)。这意味着较高级物种具有依赖于注意资源的时间信息加工的复杂形式，也极可能是一种控制加工机制。

总之，OSPs在较短刺激间隔的无注意条件和较长刺激间隔的注意条件下被诱发出来为人类时间信息既具有自动加工又具有控制加工提供了证据。

3进一步的思考

以往研究以MMN、CNV及OSPs为指标试图对时间信息加工统一机制问题提出佐证，研究结果支持了人类时间信息存在自动加工与控制加工两种机制。反思研究现状，以下问题仍值得进一步思考。

3.1时距加工机制的分段性问题

人类对时间的认知是无限的，从过去，经过现在直至未来。从时间全程角度探讨人类时间认知是否具有统一加工机制，自上世纪90年代起一直是研究者努力的方向。Michon等和Bree等研究发现人类时间认知具有分段性，即对不同持续时间的表征是不同的(Michon，1992；Brce，1992)；黄希庭等也曾要求被试用时间单位和模糊统计法对过去时间修饰词和未来时间修饰词进行赋值，结果发现人类过去

心理时间和未来心理时间具有分段性，进而提出了时间认知分段综合模型(range-synthesis model oftime cognition)(黄希庭，李伯约，张志杰，2003)。所谓时间认知分段综合模型是指人类对时间的认知具有分段性，不同时距具有不同表征，个体无论对哪一种时距的认知均受多种因素，例如事件的数量和结构、通道性质和特点、时序和时点的性质、注意资源、编码方式、分段和提取策略、实验指标，以及个体的时间信念、情绪、疾病等的影响(黄希庭，2001)。该模型从宏观视角指明了人类的过去时间认知与未来时间认知均存在三种心理机制，每一种长度范畴的心理时间机制受多种因素影响。现在假定以毫秒至数秒时距范畴为考察对象，这种范畴内时距是否不仅存在自动加工和控制加工两类机制，而可能是三种甚至三种以上呢?每一类机制又具体是怎样运作的呢?譬如受哪些因素影响以及如何影响等仍将是未来值得深入探索的问题。

3.2时距加工机制的分段指标问题

MMN可以作为探测脑部自动时间信息加工的一项有效指标，研究结果发现人类自动时间信息加工不但发生在数百毫秒，而且在1秒以上时距加工也会出现，只是人类表现在数百毫秒内的自动加工能力更强(Naatanen，Syssoeva，&Takegata，2004)。CNV最早由Walt和Cooper利用反应时测量范式而发现，其后随着研究的深入被发现与时间信息控制加工有着密切联系。有研究结果发现在刺激信号呈现190ms之后明显CNV被诱发出来，且190ms至540ms的平均波幅受分配到时间信息加工注意资源的调节(陈有国，张志杰，黄希庭，2007)。这似乎说明了200ms左右以后就出现认知控制加工。由此看来，对于人类时间信息自动加工和控制加工分界点的观点比较混乱，那么怎样来解释这种现象呢?大概有两种可能性：其一，自动加工与控制加工根本没有明确分界点，只是在某一时距范畴内其中一种加工占主导地位而已；其二，研究之间采用的指标考察侧重点存在差异，譬如MMN是一种差异波，基于原理是对无注意条件下时距失匹配加工能否被探测出来从而推断这段时距内发生了自动加工，但并不排除这段时距在注意条件下能进行控制加工，这是一种对自动加工证实的推断；而CNV是一种原始波，基于原理是对不同注意激活强度变化能否在CNV波幅上体现出来从而推断这段时距内是否发生了控制加工，但也没有排除在这段时距内的自动加工，这是一种对控制加工证实的推断。另有研究尽管采用OSPs为指标证实了人类时间信息自动加工和控制加工的存在(Bullock，Karamtirsel&Hofmann,1993)，但是它并不能直接表征时间信息加工过程，而只是一种间接地推断。因此，未来研究或许不应该纠缠于自动加工和控制加工的分界点，而是着重考查时间全程范畴内的时距加工机制特点。