双任务干扰机制的ERP电生理学证据

吴彦文

(天水师范学院 教育学院，甘肃 天水 741001)

引 言

当人们相继操作两种需要快速作出反应的任务但两个任务呈现的时间间隔不同步(Stimulus onset asynchrony，简称SOA)时，通常发现随着SOA的缩短，任务1(简称T1)和任务2(简称T2)在加工时间上有较高重叠时，任务2的反应时（简称RT2）会显著延长。[1]SOA缩短导致RT2延迟的现象即心理不应期(Psychological refractory period，PRP)效应。[2]

PRP效应在实验条件下得到了广泛的研究。[1-8]以Pashler为代表的反应选择瓶颈(response-selection bottleneck，简称RSB)模型认为，[2]由于单通道瓶颈一次只能加工一个刺激的限制，当SOA较短时，T1占据中枢瓶颈进行反应选择，T2的反应选择必须等待T1完成中枢反应选择加工，中枢瓶颈被释放后才能进行。显著的PRP效应是由于T2等待T1完成中枢反应选择的结果，SOA越短，T2等待的时间越长，RT2越长。而以Tombu和Jolicoeur为代表的中枢资源共享(central capacity sharing model，简称CCS)模型认为，[9]当SOA较短时，由于T1和T2同时竞争有限的中枢注意资源，当T1正在进行其中枢反应选择而占据了绝大部分中枢注意资源时，T2也进入了中枢瓶颈开始其反应选择，这时有限的注意资源会被两种任务所分享，由于两种任务都得不到足够的注意资源，导致RT1和RT2都被延长，从而出现显著的PRP效应。

反应执行延迟模型（又称反应抑制，inhibition of response)模型认为，[10]反应执行同样占据大量的注意资源，对RT2的延迟不是发生在中枢反应选择阶段，而是发生在与反应执行相联系的反应执行阶段，当T1进行反应执行时，RT2同样被延迟。如果T1和T2使用不同的反应通道或删除对反应执行的竞争，PRP效应将显著下降。按照该理论，如果对T1不作出外部反应，那么对RT2将不产生显著的影响。对反应执行延迟模型的验证多在Go-NoGo范式下进行。已有研究结果表明，[11]Go实验条件下的RT2大于NoGo实验条件下的RT2，但在NoGo实验条件下并不能消除在RT2上显著的PRP效应。

为了避免行为反应时测量的限制，目前的研究将采用事件相关电位(Event Related Potentials，简称ERP)技术来检验双任务干扰的原因及其脑机制。Luck(1998)认为，ERP成分中的P3潜伏期反映了刺激的分类速度，与明显的外部反应无关。[12]在双任务加工中，P3波通常被用于区分中枢反应选择和早期的加工过程，如目标分类任务。P3的潜伏期可测量完成目标知觉和分类所需时间的多少，而P3的波幅则用于测量在完成认知加工任务中可得到注意资源多少的问题。

按照RSB、CCS模型的假设，如果对T1不进行外部反应，那么T1将不会占据中枢瓶颈，各SOA条件下的T2均会得到100%的注意资源，因而在行为数据上，RT2不会出现短SOA条件下被显著延迟的现象。同样在ERP成分上，P3的潜伏期应该不会出现在短SOA条件下T2的加工被延迟，P3波幅的大小在短SOA条件下和长SOA条件应该没有显著的差异。按照反应执行延迟模型，如果对T1不作出外部反应，等于删除了对T2反应执行的瓶颈限制机制，在RT2的行为数据上不会出现PRP效应，P3的潜伏期和波幅同样不会显著受SOA的影响。

1 研究方法

1.1 被试

10 名陕西师范大学心理系一年级硕士研究生，男5名，女5名，视力或矫正视力正常，听觉正常，没有参加过类似的实验。

1.2 实验仪器与材料

在一台IBM奔腾Ⅳ台式机上运行，刺激呈现在19英寸纯平显示器的中央，屏幕分辨率为1280×1024，刷新率为60Hz.听觉材料为持续150ms的低音和高音，频率分别为300Hz和1000Hz，位速176Kbps，音频采样大小8位，单声道。实验前要求被试认真辨别低音和高音并记住相应的按健，若不能非常清晰地辨别出二者的差异不能参加实验。高音和低音在各处理条件下出现的概率均为50%。视觉材料为正和反的黑色字母F、R、j和G，分别从正位方向顺时针和逆时针旋转0°、60°和120°，其中R出现的概率为25%，F、j、G出现的概率为75%，字符大小约为4.78×4.59cm，呈现在白色背景上，由计算机以随机化方式呈现。

1.3 实验设计

T1和T2均采用2(概率：大概率、小概率)×2(SOA：50ms、500ms)被试内设计。因变量为T2的反应时和正确率以及T1与T2的ERP波幅。

1.4 实验程序

每次实验首先在屏幕中央呈现注视点“＋”800ms，接着出现300ms的空屏，空屏结束后出现声音刺激，视觉刺激从声音呈现后50ms或500ms出现，由计算机随机呈现且一直保留在屏幕上，被试作出反应后消失，视觉刺激消失后出现1s的灰色掩蔽，以消除被试对实验材料的表象，每次实验间隔2s，要求被试忽略出现的声音刺激，集中注意力只对视觉刺激作出快速反应。若屏幕呈现的是R则用右手食指按小键盘“1”键；若呈现的是F、G或j，一律用左手食指按“z”键，当视觉刺激的超过3s还没有作出反应时，该次实验的反应时数据不被记录，算作一次错误。被试先完成100次练习后完成480次正式实验，中间休息4次，休息时间自己控制，整个实验过程持续约2小时左右。正式实验要求被试尽量保持相同的姿势，减少眨眼次数和身体晃动，在休息时可以调整身体姿势并在座位上有少量的活动。

1.5 EGG记录

采用德国的Brain Vision Recorder脑电记录系统，32导电极帽的电极位置采用10～20系统。参考电极为双侧乳突处，接地点在Fpz和Fz连线的中点，同时记录垂直眼电。滤波带通为0.10Hz－100Hz，采样频率250Hz，头皮电阻小于5kΩ.

1.6 数据处理

根据刺激类型2(概率：大概率、小概率)×2(SOA：50ms、500ms)，对正确反应的EEG分类叠加可得到4类ERP波。分析时程(epoch)为刺激呈现后800ms，基线为刺激前200ms，伴有眨眼、眼动、肌电等伪迹的数据均被排除，振幅在±50μV之上的数据在叠加中自动剔除。对所有ERP波的测量运用Luck的方法，[12]即ERP各成分的获得是通过从小概率差异波中减去大概率差异波得到。Luck认为，利用相减的方法可以提取重要的纯心理成分。

从整个皮层分布的所有电极来看，在额叶、中央区和顶叶电极处的P3波幅较明显，其中顶叶处的波幅最大。在分析波形时，参照前人研究，[13]选择 FC3、FCz、FC4、F3、Fz、F4、C3、Cz、 C4、CP3、CPz、CP4、Pz、P3、P4电极上的ERP数据进行分析。差异波地形图分析时段为：P2：150～250ms，P3：300～500ms.实验数据先在 Excel2003上进行预处理，然后在SPSS13.0软件上进行统计分析，多因素方差分析的p值皆用Greenhouse-Geisser校正法。

2 结果与分析

2.1 视觉任务的行为数据

表1为被试对T2的反应时(ms)和正确率的均值及标准差。以概率大小和SOA为组内变量进行2×2的重复测量方差分析。

表1 SOA为50ms和500ms时T2的反应时(ms)、正确率及标准差

对反应时的方差分析发现，概率大小的主效应非常显著，F(1,9)=12.95，p＜0.001，小概率条件下的反应时（M=548.26）显著慢于大概率条件下的反应时（M=504.26）。SOA的主效应非常显著，F(1,9)=27.19，p＜0.001，50ms条件下的反应时（M=545.76）显著慢于500ms条件下的反应时（M=506.76），二者的交互作用不显著，F(1,9)=0.86，p＞0.05.

对正确率的方差分析发现，概率大小的主效应非常显著，F(1,9)=24.96，p＜0.001，小概率条件下的正确率（M=0.978）显著低于大概率条件下的正确率（M=0.999）。SOA的主效应不显著，F(1,9)=1.83，p＞0.05，二者的交互作用不显著，F(1,9)=2.37，p＞0.05.

2.2 ERP平均波幅的方差分析

对P2的测量时段为150～300ms，方差分析发现，电极位置主效应显著，F(14,126)=6.99，p＜0.01；SOA的主效应以及电极位置与SOA的交互作用均不显著。

对P3的测量时段为300～500ms，方差分析发现，在300～400ms时段内，SOA的主效应显著，F(1,9)=5.01，p＜0.05，SOA 为 50ms时的波幅(M=1.52)显著大于SOA为500ms时的波幅(M=1.05)。电极位置主效应显著，F(14,126)=3.34，p＜0.05，P4电极上的波幅最大(M=1.82)，其他电极上的波幅从大到小依次为Cz、CP3、CPz、C3、FC3、F3、Pz、CP4、F4、FC4、FCz、Fz、C4、P3.二者的交互作用不显著。

在400～500ms时段内，电极位置主效应显著，F(14,126)=6.97，p＜0.001，Cz电极处的波幅最大(M=2.64)，其他电极上的波幅从大到小依次为P4、CP3、C3、CPz、CP4、F3、FCz、Pz、FC3、P3、Fz、FC4、F4、C4.SOA的主效应以及电极位置与SOA的交互作用均不显著。

在500～600ms时段内，SOA的主效应非常显著，F(1,9)=25.50，p＜0.001，SOA为50ms时的波幅(M=-0.85)显著小于SOA为500ms时的波幅(M=-2.23)。电极位置主效应非常显著，F(14,126)=6.65，p＜0.001，最大的负波位于 CPz电极上(M=-2.27)，其余电极上的波幅从大到小依次为F3、 FC4、 Pz、 CP3、 F4、 Cz、 CP4、 FCz、 P3、Fz、FC3、C4、P4、C3.电极位置和SOA的交互作用不显著。

在600～700ms时段内，电极位置主效应显著，F(14,126)=4.62，p＜0.05，最大的负波幅位于CP4电极处(M=-2.99)，其余的从大到小依次为CPz、Pz、P4、 CP3、 FC4、 FCz、 Cz、 F4、 C4、 P3、 F3、C3、FC3、Fz.SOA的主效应以及电极位置与SOA的交互作用同样不显著。

在700～800ms时段内，SOA的主效应显著，F(1,9)=19.72，p＜0.01，SOA 为 50ms时的波幅(M=-2.35)显著大于SOA为500ms时的波幅(M=-0.56)；电极位置主效应显著，F(14,126)=3.39，p＜0.05，最大的负波位于Pz电极处(M=-2.42)，其余电极上的波幅从大到小依次为P4、CP4、CP3、CPz、C4、FC4、P3、C3、FCz、FC3、F4、Cz、Fz、F3.二者的交互作用不显著。

图1 小概率波减去大概率波后的差异波

3 讨 论

本研究的行为数据结果表明，即使在对T1不进行外部行为反应的双任务情境中，在RT2上SOA的主效应依然非常显著，即随着SOA的变短，RT2显著延长，PRP效应显著，只要有额外的刺激出现，那么这个额外出现的刺激对另一任务的加工总会产生显著的影响。

ERP数据结果表明，P2的波幅没有显著受到SOA的影响，表明SOA并没有影响到T2的知觉编码加工阶段。对P3测量的时段发现，300～400ms时段内的P3波幅显著受SOA的影响，说明在实验中尽管要求被试忽略T1任务，应该说这种实验模式基本等同于单任务情境的加工模式，但T1的出现依然对T2的加工产生了显著的影响。P3的波幅在500～600ms的时段内同样显著受SOA的影响，且短SOA条件下的波幅显著小于长SOA条件下的波幅，P3波幅在短SOA条件下的缩小表明，在短SOA时，尽管对T1不进行外部行为反应，但由于T1的出现依然会占据、共享有限的注意资源，导致T2用于辨别和分类任务的认知资源大大减少，这是导致在T2上P3波幅缩小的主要原因。

从SOA为50ms和500ms条件下的差异波中可以看出，在500～600ms时段内已出现P3正波结束后的负波阶段，说明T1对T2加工的延迟处于T2加工的中晚期阶段，即T2已完成了刺激的目标分类任务，该结果更倾向于支持CCS模型和反应执行延迟模型的预测。

RSB模型假定人类的认知加工属于单通道的信息加工器，那么在NoGo条件下等于删除了对T1反应执行的瓶颈限制，当T1不占有中枢瓶颈时，T2的中枢反应选择是可以随时得到加工的。但按照反应执行延迟模型的假设，由于在实验中不要求被试对T1作出外部反应，那么两个任务将不会竞争有限的中枢注意资源，这时行为数据和ERP数据都不应该出现显著的PRP效应。本研究结果表明，即使对T1不进行外部反应的重叠双任务情境中，只要SOA缩短，那么在RT2上就会出现显著的PRP效应，这一实验结果也明显不支持反应执行瓶颈理论的预测。

在本研究中，虽然要求被试对T1不作出外部行为反应，但当T1清晰地出现在被试的头脑中时，被试无法有效地排除T1对T2加工的干扰，表明PRP效应非常顽固的特征，且这种特征会造成双任务操作成绩的显著下降，这说明在现实生活中，虽然有大量的刺激是需要我们忽略的，但当该刺激客观存在时，它或多或少地对我们当前正从事的任务产生干扰，且当它和我们正从事的任务出现的间隔时间越短，干扰将会越强烈。

5 结 论

本研究的ERP数据和行为数据结果一致表明，即使对T1不进行外部反应也并没有消除T1对T2的干扰，T1和T2对有限的中枢注意资源进行激烈的竞争，只要SOA缩短，那么在T2上就会出现显著的PRP效应，表明在重叠的双任务情境中，PRP效应非常顽固且造成双任务操作成绩的显著下降。

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