三维场景中内隐记忆的空间更新 *

李士一 周 日 孙 璐 谢岩枫 赵 光

(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 300387) (天津师范大学心理学部，天津 300387)(国民心理健康评估与促进协同创新中心，天津 300387)

1 引言

空间记忆在日常生活中扮演着重要的角色（Brockmole, 2008）。在探究空间记忆本质的过程中，视角变化（viewpoint change）是最常用的研究范式之一，即考察从某一视角学习到的场景知识能否迁移到另一新的视角（Bar, 2001; Wang, 2017）。基于该范式的大量研究并没有得到统一的结论：部分研究支持从某一视角习得的场景知识不能迁移到新视角，另一部分研究则得到了相反的结果（Diwadkar & Mcnamara, 1997; Kelly, Mc Namara,Bodenheimer, Carr, & Rieser, 2009; Shelton &McNamara, 2001）。研究者发现空间参照系（Mou,McNamara, Rump, & Xiao, 2006; Riecke & Heyde,2005）、空间更新（Simons & Wang, 1998）等因素是影响习得知识能否迁移到新视角的重要因素。

空间更新效应（spatial updating effect）是指个体在三维空间中移动时，对周围物体与自身位置之间相对关系进行重新编码的过程，且该编码过程为自动化加工（Klatzky, Loomis, Beall, Chance, &Golledge, 1998; Wolbers, Hegarty, Büchel, & Loomis,2008）。例如，对教室里正上课的学生来说，黑板在你的前方；当你下课转身与后排的同学讨论时，不用花费努力就能知道这时黑板在你的后方。这种由于身体的移动带来的空间更新是实时的 、自动化的，几乎不消耗个体的认知资源（肖承丽, 刘传军, 2014; Burgess, 2006; Wang, 2003,2012）。Wang 及其同事的一系列研究揭示了身体移动带来的空间更新的一些特性（Simons & Wang,1998; Wang & Simons, 1999; Wang & Spelke,2000）。例如，在Simons 和Wang（1998）的实验一中，要求被试在学习阶段记忆一些摆放在桌面上的、用不同生活用品摆放成的场景，在测试阶段通过观察者移动或旋转桌面带来视角变化，结果发现虽然两种方式能带来同样效果的视网膜图像变化，但观察者移动组在新异视像下的回忆准确率却显著高于场景旋转组，与学习视角的回忆准确率并无差异。研究者对这一结果的解释是：观察者时刻表征着周围物体与自己身体的位置关系，当自身移动时观察者会自动地重新计算周围物体与自己身体方向和距离信息，从而实时更新空间表征（Burgess, 2006; Wang, 2012）。

视角变化和空间更新的研究中采用的记忆任务几乎均为外显记忆任务（Burgess, Spiers, &Paleologou, 2004; Kelly, Sjolund, & Sturz, 2013; Xie,Li, Tao, Wei, & Sun, 2017）。然而，内隐记忆在保持时间、容量大小、编码方式等方面都有不同于外显记忆的特点（Schacter, 1992）；从神经机制来看，外显记忆更多依赖于海马和内侧颞叶，而内隐记忆则更多依赖于特异感觉通道的大脑皮层、纹状体等（Reber, 2013）。因此，空间更新效应在记忆的编码和提取过程中存在特异性或一般性加工机制仍是一个值得关注的问题。本研究拟通过背景线索效应考察基于内隐记忆的三维场景是否存在背景线索效应。背景线索效应是内隐空间记忆的经典研究范式，通常要求被试进行视觉搜索任务，其中某几个场景的多次重复呈现（即目标位置与背景布局的多次联合呈现）将显著提高个体在重复场景中的搜索绩效（尽管被试在实验最后的再认阶段并不能辨别出重复场景）（Chun& Jiang, 1998）。

Chua 和Chun（2003）以背景线索效应为例，探究了内隐记忆中的视角变化效应。他们的场景由三维的保龄球状物体组成，要求四组被试分别从4 个视角条件（0°, 15°, 30°, 45°）搜索场景中的目标物，并由此习得背景线索效应；在测试阶段，要求四组被试都在0°视角下进行视觉搜索，结果发现学习阶段习得的背景线索效应随着测试视角和学习视角之间距离的增加而减弱甚至消失。研究者由此认为，背景线索效应是依赖于学习视角的，因而不能迁移到新视角。

研究者还考察了观察者移动情况下的背景线索效应。Tsuchiai, Matsumiya, Kuriki 和Shioiri（2012）要求被试在T 和L 形成的空间布局进行视觉搜索以习得背景线索效应，并在测试阶段通过不同的方式将呈现场景的平面旋转40 度继续进行视觉搜索。结果发现，如果视角变化是由场景旋转带来的，则背景线索效应在测试阶段消失；如果视角变化是由被试走动带来的，背景线索效应则保留；如果继续让被试走动到距离学习视角90 度的新视角，习得的效应消失。他们认为，仅在个体移动位置较小时，内隐知识能够迁移到新视角。

然而，以上两项研究有诸多不足。首先，其搜索场景中都没有提供明显的空间参照信息，组成搜索场景的物体分别是为无朝向的保龄球状物体（Chua & Chun, 2003）、具有立体深度线索的字母T 和L（Tsuchiai et al., 2012）；而基于外显记忆的研究发现，空间参照系是空间更新的重要影响因素（Mou et al., 2006），例如物体的同一朝向等（Marchette & Shelton, 2010）。其次，搜索场景均由抽象的、无语义信息的人工材料组成，不利于被试将其作为“可能发生视角变化的”的三维场景进行感知。再次，以上两个研究均未将空间更新范式中场景旋转、观察者移动这两个变量在同一个实验中进行考察，无法讨论两个因素的交互作用。

本研究使用基于真实场景创建的虚拟三维物体作为实验材料，考察背景线索效应能否迁移到场景旋转、观察者移动这两种方式下带来的新视角中。实验场景由10 把颜色材质大小相同、特征不同的方形带背靠椅子组成，椅子均朝向同一方向，从而提供场景内在参照系。通过投影仪将搜索场景呈现在平铺在地面上的圆形幕布上，四组被试在同一视角进行背景线索效应的学习后，随机分配到以下条件：a. 基线组（observer no move &scene no move, O0S0）观察者和场景都与学习阶段保持一致，此时视像与学习阶段相同；b. 观察者移动组（observer move & scene no move, O+S0）观察者移动到60 度视角外的新位置，此时视像与学习阶段不同；c. 场景旋转组（observer no move & scene move, O0S+）场景往观察者移动的相反方向旋转60 度，以使视觉图像和O+S0组相同，此时视像与学习阶段不同；d. 空间更新同时场景旋转组（observer move & scene move, O+S+）观察者移动到新位置的同时，同时场景也朝相同方向旋转，以使视觉图像和O0S0组相同，此时视像与学习阶段相同（见图1）。实验的假设是：在与学习阶段视像不同的两个条件下，如果观察者移动组（O+S0）能够迁移，而场景旋转组（O0S+）不能迁移，说明存在空间更新效应；如果观察者移动组（O+S0）和场景旋转组（O0S+）都不能迁移，则说明不存在空间更新效应。

2 方法

2.1 被试

天津师范大学的60 名本科生参加了实验，被随机分为4 组，每组15 名被试（各组分别有4 名男生）。被试年龄在18～24（M=19.4）岁间，视力或矫正视力正常。实验结束后获得15 元报酬或等价礼品。

2.2 实验设计

采用2（场景类型：重复、新异）×7（时间阶段：1～7）×2（场景旋转：旋转、不转）×2（观察者移动：移动、不动）的四因素混合实验设计。被试内因素为场景类型、时间阶段，被试间因素为场景旋转、观察者移动。因变量为反应时。

2.3 实验材料与设备环境

实验场景中的3D 物体由SktchUp 8.0 软件制作，并由Vizard 4.0（World Vizard, Santa Barbara,CA）虚拟现实软件进行程序控制、刺激呈现和数据收集。虚拟场景是一个半径为5 米的虚拟圆形房间，屋子的墙壁和地板都是灰色。场景由从前后左右4 个方向照来的平行光打亮，灯光为柔和暖色光，场景中所有物体均无阴影。虚拟场景的观察视角是30 度的俯视视角，视野范围内的地板被无形地分成了48 个区块，块与块通过轻微位移避免形成明显的行和列。10 把椅子将会随机出现在48 个区块的10 个位置上，目标所在的椅子平均分布在四个象限内。场景的椅子为颜色、材质、大小相同，但特征不同的方形靠椅。每把椅子椅面中间都横放着一个绿色字母，目标“i”或干扰物“l”。每个字母都旋转了90 度并紧贴在椅面上，横放后的字母始终与被试的视线保持垂直以保证辨识难度的统一。为不同视觉深度的目标和干扰物搜索难度一致，根据虚拟环境中的深度距离对其进行了大小矫正。

2.4 实验流程

实验在一个光线昏暗的环境中进行。借助爱普生CB-570 多媒体投影仪，将实验刺激投影到一个直径为1.2 米的白色圆形幕布上。幕布前摆放两把椅子和一个可调节高度的小桌，桌上的无线键盘供被试进行按键反应。

练习阶段：屏幕上首先呈现文字指导语，告知被试实验任务是视觉搜索任务。实验场景由多把椅子组成，每个椅子上都横放着一个绿色的字母“i”或“l”，要求被试尽快搜索到目标“i”并按键判断其头上的小圆点的方向：若小圆点在“i”的左侧，按键盘上的F 键；若小圆点在“i”的右侧，按J 键。按键后，自动进入下一试次的注视点界面，同时在注视点的上方会有文字反馈信息（绿色的“正确”或红色的“错误”）。练习结束并且正确率为90% 以上，可以进入正式实验，正式实验包括三个阶段，约30～40 分钟。

学习阶段：被试将进行30 个组块（block）的视觉搜索，每个组块有16 个试次（trial）。其中8 个为重复场景（8 个固定的目标位置与8 个场景背景的组合，每个组块出现一次）；另外8 个为新异场景（8 个固定的目标位置，每次出现时对应的背景都是不同的），组块间没有停顿或提醒。每隔10 个组块休息1 次，每次1 分钟。

测试阶段：被试将进行5 个组块的视觉搜索，每个组块有16 个试次。其中8 个是学习阶段的重复场景，另外8 个是随机生成的新异场景。第一个组块中的16 个试次在接下来的4 个组块中重复出现。

再认阶段：实验前被试并不知道有此项任务。向被试呈现8 个在学习阶段和测试阶段的重复场景、8 个是测试阶段的新异场景、8 个是从未出现过的新异场景图片，要求其判断在该场景中目标应该出现在1～10 的哪一把椅子上，按键盘上的数字1～10 作答。场景中原有的目标被替换为了干扰子。回忆任务没有时间限制，且对被试的回答没有反馈。

3 结果

3.1 错误率和删除率

搜索任务中的错误率为0.8%，四组被试之间的差异不显著，F（3, 56）=2.64，p＞0.05。删除每个被试三个标准差之外的数据，反应时小于200 ms的试次，以及错误的试次。所有删除的试次数量占总试次的2.4%。四组被试之间删除的数量差异不显著，F（3, 56）=2.09，p＞0.05。

3.2 学习阶段的反应时

为提高统计检验力，将30 个组块等分为6 个时间阶段并计算其平均值。各组被试在不同时间阶段和场景类型下的反应时见表1。

为了解学习阶段是否习得背景线索效应，以场景类型、时间阶段为被试内变量，场景旋转、观察者移动为被试间变量，以反应时为因变量，进行2（场景类型：重复、新异）×6（实验阶段：1～6）×2（场景旋转：旋转、不转）×2（观察者移动：移动、不动）的四因素重复测量方差分析。结果发现：场景类型的主效应显著，F（1, 56）=121.40，p＜0.001，η2=0.68，重复场景显著小于新异场景。时间阶段主效应显著，F（5, 280）=31.26，p＜0.001，η2=0.36，简单效应分析发现，阶段3 显著短于阶段2（p＜0.05），阶段4 反应时显著短于阶段3（p＜0.05），其他相邻两阶段之间差异不显著。场景旋转的主效应、观察者移动的主效应均不显著，没有发现任何显著的交互作用（ps＞0.05）。

表 1 各组被试在不同时间阶段和场景类型下的反应时（ms）

揭示背景线索效应中的场景类型×实验阶段的交互作用也不显著，F（5, 280）=1.90，p=0.95。其原因可能是被试在第2–3 个组块中已经习得了效应，所以单独对组块1 和组块30 做进一步分析，2（场景类型：重复、新异）×2（组块：1、30）×2（场景旋转：旋转、不转）×2（观察者移动：移动、不动）的四因素重复测量方差分析的结果显示：学习阶段×场景类型的交互作用显著，F（1,56）=6.15，p＜0.05，η2=0.10。说明被试在该阶段习得了背景线索效应。

3.3 学习阶段和测试阶段背景线索效应量的对比

背景线索效应量（conetxtual cueing effect,CCE）是指新异场景与重复场景的反应时间之差。学习阶段以最后5 个组块的平均值为代表，测试阶段由所有5 个组块的平均值来代表。各组被试在不同实验阶段背景线索效应量如图2 所示。

为了解不同实验阶段的背景线索效应量变化，以背景线索效应量为因变量，进行（实验阶段：学习、测试）×2（场景旋转：旋转、不转）×2（观察者移动：移动、不动）的重复测量方差分析。结果发现：实验阶段主效应显著，F（1,56）=12.99，p＜0.01，η2=0.19，测试阶段显著小于学习阶段。场景旋转的主效应、观察者移动的主效应不显著（ps＞0.05）。实验阶段×场景旋转的交互作用显著，F（1, 56）=4.18，p＜0.05，η2=0.07。简单效应分析发现，在场景不旋转条件下（S0），学习阶段和测试阶段的效应量差异不显著（p＞0.05），即习得的背景线索效应得以保存；在场景旋转条件下（S+），测试阶段的效应量显著小于学习阶段（p＜0.001），即背景线索效应效应衰减。其他交互作用均不显著（ps＞0.05）。

对比每个条件下学习阶段和测试阶段的背景线索效应量，结果发现：控制组学习阶段与测验阶段差异不显著，t（14）=1.34，p＞0.05；观察者移动组学习阶段与测验阶段差异不显著，t（14）=0.75，p＞0.05；场景旋转组学习阶段显著大于测验阶段，t（14）=3.87，p＜0.05，d=1.25；观察者移动且场景旋转组学习阶段显著大于测验阶段，t（14）=2.18，p＜0.05，d=1.01。结果说明，在控制组、观察者移动组中学习阶段的CCE 迁移到了测试阶段，场景旋转组、观察者移动且场景旋转组中学习阶段的CCE 没有迁移到测试阶段。

为了解在测试阶段各组是否存在背景线索效应，对比各组在测试阶段重复场景和新异场景的反应时，结果发现：控制组差异显著，t（14）=4.55，p＜0.001，d=0.76；观察者移动组差异显著，t（14）=2.58，p＜0.05，d=0.58；场景旋转组不显著，t（14）=0.89，p＞0.05；观察者移动且场景旋转组差异不显著，t（14）=2.06，p=0.06，d=0.46。结果说明，测试阶段控制组和观察者移动组存在背景线索效应，场景旋转组不存在背景线索效应，观察者移动且场景旋转组边缘显著。

3.4 再认阶段的结果分析

再认阶段共有3 种场景，分别为8 个学习阶段和测试阶段的重复场景（重复了35 次）、8 个测试阶段的新异场景（重复了5 次）、8 个是从未出现过的新异场景（无重复）。这三种场景的再认正确率分别为7.66%、7.16%、8.33%，三组之间的差异不显著F（2, 117）=0.57，p＞0.05。每个场景中有10 个可能位置，因而猜测概率为10%，所有被试的平均正确率为7.88%，显著低于猜测概率（t=–3.93, p＜0.01）。说明被试没有形成外显记忆。

4 讨论

从学习阶段反应时的结果可以看到，不同的实验组都习得了显著的背景线索效应。本研究将Chua 和Chun（2003）的保龄球状，更换为了具有语义信息的、细节更加丰富的三维椅子，依然发现了背景线索效应，说明该效应具有较强的适应性（Jiang, Song, & Rigas, 2005）。四组之间总体的反应时间和效应量都没有差异，说明了各组之间是随机分配的、具有可比性。

本研究最为关注的结果是学习阶段的背景线索效应能否迁移到测试阶段的不同条件下。从效应量的结果来看（见图2），场景旋转组（O0S+）的背景线索效应完全消失了，与Chua 和Chun（2003）的实验结果相同，说明在增加了空间参照信息（椅子的统一朝向）之后，内隐记忆的知识还是不能迁移到场景旋转带来的新视角。这与实验预期不同，其可能的原因是场景中有统一朝向空间参照信息是由椅子带来的，而非搜索目标“i”和干扰子“l”带来的，空间参照信息在内隐记忆中的作用有待进一步考察。实验结果还发现，尽管与场景旋转组一样，在测试阶段也看到了与学习阶段完全不同的视像，但观察者移动组（O+S0）的背景线索效应完全地迁移到了新异视角下。这样的结果说明，观察者移动能够促进背景线索效应迁移到三维旋转的视角中去，即出现了空间更新效应。Tsuchiai 等（2012）在研究中只发现了身体移动40 度条件下，背景线索效应能够迁移，仅凭这一结果不能说明发生了空间更新；本研究同时考察了观察者移动、场景旋转两个因素，结果发现场景旋转且观察者移动组（O+S+），即便测试阶段的视像与学习阶段完全一致，但背景线索效应还是显著衰减了，这说明观察者在移动的过程中确实更新了与场景中物体间的关系，即发生了空间更新。

本研究还为揭示了背景线索效应中记忆痕迹的编码形式提供了潜在证据。研究者认为，背景线索效应中重复场景的记忆痕迹是以独立的“样例”来储存的，自动化（行为表现的提升）是通过提取由先前多次加工同一个刺激而形成的记忆“样例”而带来的（Chun & Jiang, 1998; Logan,1988）。那么一个最基本的问题是，这些“样例”有多么具体呢？如果这些“样例”是对场景中抽象的空间关系的表征，背景线索效应应该可以推广到已学场景的经过合理变化的版本上，例如观察者移动带来的视角变化；如果记忆痕迹是对当前视角下具体视像的表征，一旦已学场景的视像发生了变化，被试便不能将其与记忆中的场景进行匹配，从而导致无法利用记忆中的已编码信息（Chua & Chun, 2003）。因此，基于本实验结果，可以认为，背景线索效应中编码的信息并不是基于视像的，而是包含了对场景中空间关系的加工（李士一, 白学军, 王雨薇, 郑蕾, 孙弘进, 2017）。

最后，本研究发现在细节丰富、熟悉度高的真实场景中，背景线索效应也可以是内隐的。大量的前人研究发现，真实场景的背景线索效应是基于外显记忆的（Brockmole & Henderson, 2006; Shi,Zang, Jia, Geyer, & Müller, 2013）。外显的结果是由真实场景的语义线索带来的，还是真实场景中丰富的细节和熟悉度带来的？本研究中的实验场景是由10 把颜色材质大小相同、外形特征不同的椅子组成，在这样的场景中虽然能够快速辨别出椅子的身份，但不能对椅子及椅子之间的关系进行命名。通过这样的操作，既提供了丰富的细节和熟悉度，又屏蔽了语义的线索，也控制了场景之间低水平刺激信息的差异。因此，尽管真实场景包含着丰富的细节和多种视角信息，而这些都能促进被试的外显再认；在本实验条件下，还是发现了内隐的背景线索效应，一定程度上说明了内隐和外显的区别是由场景的语义信息导致的。

本研究也存在着不足：尽管我们声称本研究中的背景线索效应是以三维空间的形式表征的，但实际呈现的是二维图片。多项研究采用立体视觉呈现刺激，发现与二维呈现表现出相同的背景线索效应（Tsuchiai et al., 2012; Zang, Shi, Müller, &Conci, 2017; Zhao et al., 2017）。在本研究中被试从学习视角移动到测试视角的过程中虽然确实发生了三维空间的关系变化，但呈现在被试视网膜上的二维图片很可能与学习者经过心理旋转的图像表征有很大不同，这是后续研究需要改进的。

5 结论

（1）在背景线索效应范式中，被试能够对三维场景中的内隐记忆进行空间更新。（2）通过结果可以推断，背景线索效应中编码的信息并不仅仅是基于视像的，而是包含了对场景中空间关系的加工。

参 考 文 献

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