视觉工作记忆中非语义编码信息对注意捕获的影响：来自ERPs的证据 *

2019-03-12杨海波牛丽丽尹莎莎白学军

心理与行为研究 2019年1期

杨海波牛丽丽尹莎莎白学军

(1 教育部人文社会科学重点研究基地天津师范大学心理与行为研究院，天津 300074)(2 国民心理健康评估与促进协同创新中心，天津 300074)

1 引言

日常生活中，个体搜索的目标通常出现在与其相似的非目标物体中，比如在厨房寻找茶杯，而茶杯又混杂在茶碟、茶壶等物品之中。个体是如何在与目标相关的物体中寻找目标呢？注意的偏向竞争模型（biased competition model）认为，如果某一客体表征与当前工作记忆中所保持的目标模板相同，那么该客体表征就会取得竞争优势而被注意优先选择，这个过程是通过激活储存在工作记忆中的目标刺激的表征或特征模板以自上而下的方式来完成（Desimone & Duncan, 1995; Proulx& Egeth, 2008; Ásgeirsson & Nieuwenhuis, 2017）。

一些以反应时和眼动指标为因变量的视觉搜索研究为注意偏向的竞争模型提供了支持证据。在这些实验中，大多是要求被试记忆一个特定的视觉客体并在视觉搜索任务中寻找目标。结果发现，当搜索目标特征与工作记忆中记忆项目特征一致（有效线索）时，搜索目标的反应时更短，首次眼跳到目标项目位置的概率更高；当干扰项目特征与工作记忆中记忆项目特征一致（无效线索）时，目标识别效率降低，搜索目标的反应时变长。这些研究结果表明，视觉工作记忆内容会引导注意分配（Soto, Heinke, Humphreys, & Blanco,2005; Olivers, Meijer, & Theeuwes, 2006; Hollingworth& Luck, 2009; Kim & Yang, 2016）。Gao等人（2016）认为，视觉工作记忆会通过基于客体编码（object-based encoding）的方式来提取信息。在他们的实验中，要求被试记忆多维特征客体的某一个特征维度，而忽略其他特征维度（例如，给被试呈现两种不同颜色的形状，要求他们记住形状而忽略颜色）。间隔一段时间后判断目标维度是否相对于记忆项出现了变化，而任务无关的另一个维度也会改变（在50%的试次中），结果发现了无关特征维度变化带来了对目标特征维度改变觉察的干扰效应。

为了精确揭示注意资源分配和注意在不同项目之间转移的时间进程特点，一些研究者利用事件相关电位技术（ERPs），以N2pc为指标来探讨视觉工作记忆内容对注意加工过程的影响（Eimer,1996; Liu, Lin, Zhao, & Roberson, 2016）。N2pc是一种较大的单侧脑后负波，头皮分布于目标刺激的对侧脑后区域，潜伏期为刺激出现后200～300 ms。该成分是注意中期阶段与空间选择性注意密切相关的ERP成分，反映了对当前任务相关刺激所进行的空间选择性加工（Woodman & Luck, 1999,2003; Berggren & Eimer, 2018）。在视觉搜索任务中，N2pc反映了抑制干扰刺激时采用的注意策略和注意资源的分配。如果干扰刺激容易被抑制，则不会诱发N2pc；如果目标刺激与干扰刺激空间位置相近，分辨难度大，则N2pc波幅更大（Luck& Hillyard, 1994; Brisson, Robitaille, & Jolicoeur, 2007;姚树霞, 杨东, 齐森青, 雷燕, Ding, 2012）。当搜索序列中目标项与工作记忆中的记忆项目出现在同侧视野时，N2pc波幅更大（Kumar, Soto, &Humphreys, 2009; Telling, Kumar, Meyer, &Humphreys, 2010）。Kumar等人采用视觉搜索范式，以彩色几何线条和图形为材料，探讨视觉工作记忆内容对目标项注意捕获的影响，实验为记忆一个图形之后，对搜索序列中的目标斜线进行反应。结果发现，当搜索目标与记忆项目出现在同侧视野时，头皮后部出现了更大的N2pc，表明在注意加工的中期阶段，视觉工作记忆内容相关特征就捕获了注意，个体投入更多注意资源抑制干扰信息，从而实现对目标的搜索。Telling等人以客体图片为材料，以与先前识记单词意义相同的图片作为干扰项（例如, 在搜索目标为鸟类时, 干扰刺激为语义相关的鱼类）。结果发现，干扰项出现在目标项的同侧视野时，引发的N2pc波幅要显著大于对侧视野。表明在视觉搜索中语义干扰相关刺激的出现影响N2pc的波幅，从而对视觉搜索产生影响。

上述研究虽然发现了视觉工作记忆内容会影响注意捕获，体现出对N2pc的调节作用，但是上述研究中采用的实验材料容易引起语义编码，使得视觉工作记忆内容与言语工作记忆内容发生混淆。如Telling等人（2010）的研究材料是客体图片，还有一些研究采用的实验材料为不同颜色的几何图形（Kumar et al., 2009; Berggren & Eimer,2018），而个体容易对这些材料的某些维度特征进行语义编码（如红色圆形），已有研究发现言语工作记忆内容也会自动引导注意捕获（Olivers et al., 2006）。因此，为了探讨视觉工作记忆中非语义编码信息对注意捕获的影响以及这种影响产生作用的时间进程，本研究严格控制实验材料并利用事件相关电位技术探讨非语义编码的视觉工作记忆内容对注意捕获影响的电生理机制。实验材料的控制方法参考采用Olson, Moore和Drowos（2008）的研究做法，以难以用语义进行编码的二维抽象对称图形为实验材料，使被试无法对实验材料进行语义水平的加工，以此排除语义编码对视觉工作记忆任务的干扰，获得较为纯粹的视觉工作记忆。在实验中设置中性条件作为基线水平，同时设置同侧无效信息和对侧无效信息的实验条件考察先前视觉工作记忆中的内容对当前目标搜索的影响。根据注意偏向竞争模型，如果某一客体表征与当前工作记忆中保持的目标模板相同，那么该客体表征就会取得竞争优势而优先捕获注意。基于上述研究和注意偏向竞争模型，本研究提出假设：（1）非语义编码的视觉工作记忆内容调节注意捕获过程，表现在反应时方面为信息无效提示条件下的反应时显著长于中性条件；（2）在ERPs指标上，对于早期阶段的P1或N1，表现出无效信息条件下诱发的P1或N1波幅显著大于中性条件；对于N2pc，同侧无效信息条件下所诱发的N2pc波幅要显著大于对侧无效条件和中性条件；对于P300，无效信息条件下诱发的P300波幅显著大于中性条件。

2 研究方法

2.1 被试

在校大学生19名，平均年龄为23.2±2.5岁。所有被试视力或矫正视力正常，无视觉疾病，右利手，身体健康，无脑部损伤史。其中2名被试数据由于伪迹过多被剔除，有效数据被试17人（8男, 9女）。

2.2 实验材料

实验材料均用Adobe Photoshop CS3软件编制，均为二维对称图形，白色（RGB:231），背景色是灰色（RGB:129）。记忆项目的材料是经过突显性评定后最终选定12个不同形状的二维对称几何图形。图形呈现在屏幕中央，图形视角均为0.7°。搜索序列项目为12个图形中的4个图形，图形中心分布在一个以屏幕中心为圆点，以2.6°视角为半径的假想圆周上。四个图形分别呈现在45°、135°、225°、315°，搜索序列的水平和垂直视角均为6.0°。搜索序列项目中每个图形中镶嵌一个黑色箭头，每个图形序列中只有一个图形中的箭头是水平方向的，其余图形中的箭头都是竖直方向的，图形序列呈现在屏幕中央。记忆探测项目的实验材料与记忆项目相同。

2.3 实验设计

实验设计为单因素被试内设计，自变量为视觉工作记忆内容的性质（中性信息、同侧无效信息、对侧无效信息）。中性信息条件是目标箭头嵌入非记忆项目（相对于记忆项目而言，在搜索序列中出现的之前未要求被试记忆的项目）中，记忆项目不出现在搜索序列中；同侧无效信息条件是目标箭头嵌入非记忆项目中，记忆项目出现在搜索序列中，且与目标箭头出现在相同视野（注视点的左或右侧）；对侧无效信息条件是目标箭头嵌入非记忆项目中，记忆项目出现在搜索序列中，且与目标箭头出现在不同视野。

2.4 实验程序

采用STIM2软件进行编程，刺激通过21英寸CRT显示器（分辨率1024×768, 刷新率85Hz）呈现。被试坐于一个隔音的屏蔽室内，将头部固定于下巴托上，屏幕中心距被试双目约57 cm。每个试次开始时，灰色背景屏幕中心呈现一个注视点“+”，呈现时间为500 ms，然后出现记忆项目1000 ms，要求被试记住整个图形，记忆项目消失后是800～1000 ms ISI的灰色空屏，然后是搜索序列，被试的任务是搜索水平方向的箭头，并对箭头方向进行按键反应，如果箭头的方向朝左，则按左键；若箭头方向朝右，则按右键。按键后搜索序列消失。如果被试在2000 ms内没有按键，搜索序列自动消失。为保证被试将识记图形保持在工作记忆中，本研究增加了记忆探测任务，即在搜索序列消失后呈现灰色空屏200 ms，之后呈现探测刺激1500 ms，要求被试判断此图形与先前识记图形是否相同并按键反应。按键后探测图形消失。然后是下一个试次。试验流程见图 1。

被试先进行36个练习，熟悉实验要求并且对搜索序列中水平箭头方向判断的练习正确率达到95%后开始正式实验，整个实验共240个试验，每种实验条件下80个试验，共分为6个组块，组块间隔期间被试闭眼休息5分钟。左右手按键在被试间进行了平衡，要求被试在确保准确率的前提下尽快反应。

2.5 EEG记录

使用美国Neuroscan公司生产的ERP记录与分析系统，按国际10-20系统扩展的64导电极帽记录EEG，接地点位于在FCz和Fz连线的中点上，双眼外侧安置水平眼电电极（HEOG），右眼上下安置垂直眼电电极（VEOG）。以左耳乳突为参考电极点，离线（Offline）分析时以左右两耳乳突的平均电位为参考。头皮与电极之间的阻抗小于5 kΩ。滤波带通为0.05～100 Hz，采样频率为1000 Hz/导。

2.6 数据测量与分析

对EEG数据进行离线处理时，根据被试眼动的大小矫正VEOG和HEOG。根据相关参考文献（Kumar et al., 2009; Telling et al., 2010）以及本实验中被试反应的情况，选取的分析时程是搜索序列呈现前200 ms到呈现后1000 ms，基线为线索呈现前200 ms，波幅大于±80 uv者被视为伪迹自动剔除。叠加平均得到每个被试在3种实验条件下正确反应的EEG（叠加次数均在50次以上），对得到的ERPs数据进行30 HZ（24 dB/oct）的无相移数字滤波器滤波。

观察所有被试叠加后的ERP波形以及本研究的目的，根据头皮分布与电极位置之间的关系选取头皮后部10个代表性的电极（PO7、PO5、PO3、POZ、PO4、PO6、PO8、O1、OZ、O2）并进行总平均，然后参考已有的相关研究并且结合本研究的ERP总平均图选取时间窗口进行统计分析（Kumar et al., 2009; Berggren & Eimer, 2018）。

头皮成分和时间窗口为：P1（50～130 ms），N1（130～180 ms），N2pc（200～300 ms），P300（250～500 ms）。以P1、N1和P300的波幅（峰-峰值）和N2pc平均波幅为统计指标，进行单因素（视觉工作记忆内容：中性、同侧无效、对侧无效）方差分析。采用SPSS16.0统计软件进行数据处理，并对不满足球形检验的统计效应采用Greenhouse-Geisser法矫正p值。

3 结果

3.1 行为结果

三种条件下记忆探测任务的正确率在96%以上，且无显著差异。剔除平均数三个标准差之外和错误反应的反应时数据，剔除数据占数据总数的4.9%，结果见表 1。

表 1 不同实验条件下被试的反应时（ms）和准确率（%）

对搜索反应时进行单因素重复测量的方差分析，结果发现：视觉工作记忆内容的主效应显著，F（2, 32）=10.27，p＜0.01，η2=0.42。多重比较发现：被试在同侧无效信息条件下的反应时（1015±84 ms）显著长于中性信息条件下的反应时（983±83 ms），对侧无效信息条件下的反应时（1005±84 ms）显著长于中性信息条件下的反应时（983±83 ms）。

3.2 ERPs结果

3.2.1 N2pc波幅

N2pc波形图是由目标刺激出现视野的头皮对侧电极减去同侧电极波形得到的。N2pc平均波幅的单因素方差分析结果表明：视觉工作记忆内容的主效应显著，F（2, 32）=5.07，p＜0.01，η2=0.34，多重比较发现，同侧无效信息条件下的平均波幅（1.52±0.13 μV）显著大于对侧无效信息条件（0.61±0.15 μV）和中性条件（0.43±0.12 μV）。

3.2.2 P1和N1波幅

对P1、N1的波幅分别进行单因素方差分析，结果发现不存在显著差异。

3.2.3 P300波幅

视觉工作记忆内容主效应显著，F（2, 32）=3.70，p＜0.05，η2=0.39；多重比较发现，对侧无效信息条件下波幅（6.52±0.73 μV）显著大于中性信息条件下波幅（5.68±0.71 μV），同侧无效信息条件下波幅（6.47±0.62 μV）显著大于中性信息条件下波幅（5.68±0.71 μV）。

4 讨论

4.1 视觉工作记忆中非语义编码对早期注意加工的影响

本研究采用视觉搜索范式考察了非语义编码的视觉工作记忆内容影响注意捕获的电生理机制。行为结果发现，被试在同侧无效信息条件和对侧无效信息条件下的反应时均显著长于中性信息条件下的反应时。行为数据的结果与前人的研究结果基本一致（Soto et al., 2005; Olivers et al.,2006; Hollingworth & Luck, 2009），这表明即使无法进行语义编码，储存在视觉工作记忆中的记忆项目依然能够调节对搜索目标的注意。视觉工作记忆中保持的特征模板使得与其相匹配的干扰刺激在搜索刺激中获得注意资源的竞争优势，个体需要消耗更多注意资源对干扰刺激进行抑制，才能捕获靶刺激从而进行反应，所以两种无效信息条件下的反应时均显著长于中性信息条件。本研究的脑电数据表明，非语义编码的视觉工作记忆内容对早期ERP成分（P1、N1）没有影响；同侧无效信息条件下的N2pc波幅显著大于对侧无效信息条件和中性条件；对侧无效信息条件和同侧无效信息条件下诱发了更大的P300波幅。

本研究中，无效信息条件下诱发的注意早期成分P1、N1波幅均与中性条件下无差异。这与Tan等人（2014）的研究结果不一致，该实验发现，相对于记忆项目和搜索项目不匹配，当两者相匹配时P1和N1的波幅更大，这是因为在该实验中搜索目标是字母X或T，记忆项目是图片；这与Luck和Hillyard（1994）的研究结果不一致，该研究发现在目标刺激存在条件下的P1和N1波幅与目标刺激缺失条件下差异显著。但是在本实验中被试的任务是对搜索序列中水平箭头的方向进行判断，对被试来说这个目标是一直存在的。而本研究三种条件的区别在于干扰刺激是否出现以及干扰刺激与目标刺激是否在同侧视野，而且本研究使用难以用语义进行编码的二维抽象对称图形为实验材料，使被试无法对实验材料进行语义水平的加工，以此排除语义编码对视觉工作记忆任务的干扰，获得较为纯粹的视觉工作记忆，研究结果未发现注意早期成分的差异，说明储存在视觉工作记忆中的非语义信息对搜索目标的早期加工没有显著影响。Telling等人（2010）的研究结果中同样发现三种条件下的注意早期成分无显著差异，这与本研究结果一致。以上表明靶刺激是否出现对注意捕获的调节作用更早，而干扰刺激是否出现，干扰刺激与目标刺激是否在视野同侧对注意捕获的调节作用要延后至200 ms。

4.2 视觉工作记忆中非语义编码对注意捕获影响的时间进程

本研究中，同侧无效信息条件下的N2pc波幅显著大于对侧无效信息条件和中性条件。在视觉搜索任务中，当与视觉工作记忆内容相同的干扰项出现时，与视觉工作记忆内容相匹配的项目特征自动激活，被试首先对干扰项所在的视野进行注意加工，然后对干扰项进行抑制，接着才能对目标刺激进行加工和反应。当干扰项与目标项出现在同侧视野时，二者的位置特征相似程度更高，个体需要消耗更多注意资源才能将二者进行辨别，所以产生了更大的N2pc，这与Luck和Hillyard（1994）提出的观点相一致，当需要对目标刺激进行空间定位时，干扰刺激与目标刺激的位置越接近，诱发的N2pc波幅越大。当与视觉工作记忆内容相同的干扰项出现在搜索目标对侧时，被试也会首先选择注意此干扰项出现的一侧，但干扰项与目标项的位置特征相似程度低，所以N2pc的波幅与中性条件无差异。该结果与Kumar等人（2009）相一致，非语义编码的视觉工作记忆内容对注意捕获的调节作用最早发生在200 ms，体现为N2pc的波幅效应，且持续到注意晚期阶段。

根据已有研究，P300反映了对目标刺激的选择以及反应决策过程，目标刺激选择和反应决策难度越大，P300波幅就越大（Desmedt, 1980;Nieuwenhuis, Aston-Jones, & Cohen, 2005）。在目标刺激缺失条件下的任务难度大于目标刺激存在条件，因此诱发的P300波幅更大（Chun & Wolfe,1996; Brouwer, Hogervorst, Oudejans, Ries, & Touryan,2017）。本研究中，P300结果与反应时结果相一致，对侧无效信息条件和同侧无效信息条件下诱发了更大的P300波幅，与Telling等（2010）研究结果不一致，该研究未发现三种干扰刺激条件下P300效应，说明与能够进行语义编码的干扰刺激相比，对非语义编码的图形识记难度大，识记时个体需要对其投入更多注意资源，因此在搜索任务中，在无效信息条件下个体要投入更多注意资源抑制干扰刺激来实现对靶刺激的识别。

综合本研究结果表明，与先前视觉工作记忆内容匹配的非语义编码干扰项影响了对靶刺激的注意捕获。注意的偏向竞争模型（biased competition model）认为，如果某一客体表征与当前工作记忆中所保持的目标模板相同，那么该客体表征就会取得竞争优势而被注意优先选择，这个过程是通过激活储存在工作记忆中的目标刺激的表征或特征模板以自上而下的方式来完成的（Desimone &Duncan, 1995; Proulx & Egeth, 2008; Ásgeirsson &Nieuwenhuis, 2017）。在本研究中采用难以用语义进行编码的二维抽象对称图形为实验材料，利用行为和ERP相结合的实验技术，结果发现即使被试只能对记忆项目进行非语义编码，当搜索序列中出现与先前视觉工作记忆内容相同的目标模板时，仍然会取得竞争优势，干扰对靶刺激的注意捕获。本研究结果支持了视觉注意的偏向竞争模型，非语义编码的视觉工作记忆内容在注意选择竞争过程中获得了注意资源竞争优势，并为该模型提供了进一步的电生理证据。