数空联结的研究及展望

曲 静 钟建军

（内蒙古师范大学心理学院，呼和浩特010022）

1 引言

早在1880年，高尔顿就提出了人类对数字的描述和思考是在心理数字线 （mental number line，MNL）上表现出来的。而他文中所提到的关于参与者的一些说法，如“我总是把数字画成从左到右的直线”（Galton，1880），表明高尔顿已经意识到数字线的方向是从左到右的。关于数字空间关系的深入研究最早开始于1990年，Dehaene等人（1990）通过数字大小比较任务发现，当被试对数字进行反应的时候，对较小的数字按左键反应更快，对较大的数字按右键反应更快。随后他们改进了实验范式，采用奇偶判断任务和被试内设计对该现象进行进一步探讨（Dehaene，Bossini，＆Giraux，1993）。结果发现，对数字的奇偶判断同样出现以上现象，即对小数（1～4）左手按键的平均反应时快于右手，对大数（6～9）右手按键的平均反应时快于左手。Dehaene将这种效应称为空间－数字的反应联合编码效应（s patial n umerical a ssociation of r esponse c odes effect，SNARC效应）。这一发现为数字和空间的关联提供了充足的证据，目前SNARC效应已经成为研究数字和空间关系的重要方式。

自从Dehaene和同事（1993）首次在成人中发现SNARC效应以来，学者们进行了许多研究试图澄清有关数空联结能力的两个问题。第一，它是先天存在的还是后天形成的？第二，它是如何以及何时发展的？其中包括对婴儿、儿童、灵长类和其他幼小动物（如雏鸡）的行为和神经成像的研究。针对前一个问题，支持先天存在观点的研究者通常以没有语言能力的婴儿和动物为研究对象，以证明数空联结能力是普遍存在的，甚至在没有特定文化影响的情况下也会发生。相反，支持后天形成观点的研究者关注的是数空联结能力的发展方向在不同文化中是有差异的，这可能受阅读、书写、手指计数等文化习惯的影响。而对于后一个问题，研究者则对不同年龄阶段的被试进行研究，以探索数空联结发展轨迹，试图形成一个发展框架。总的来说，进一步了解数空联结的物种特异性、发展轨迹和影响因素将有助于阐明其潜在机制。

2 进化起源

研究者们为了更好地探索语言在数空联结过程中的作用并排除文化因素的影响，陆续开展了对动物的数字能力的研究。例如，Rugani（2007）和他的同事首次在刚出生几天的动物身上研究了数字能力，并发现了从左到右的心理数字线。实验中，他们训练5天大的雏鸡，在其起始位置矢状放置的10个相同的位置中，识别第3、第4或第6个位置。在测试时把一系列位置旋转90°使其与雏鸡的起点水平，已学会选择第4个位置的雏鸡会优先从左侧靠近第4个位置。这一发现在新生雏鸡和成年北美星鸦中得到了进一步的证明。研究者以相同的实验方法进行研究，结果发现，两个物种都会优先选择性地从左端而不是右端开始识别正确的第4个（或第6个）位置（Rugani，Kelly，Szelest，Regolin，＆Vallortigara，2010）。这表明鸟类存在固有的向左的空间倾向，也与人类从左到右的心理数字线相似。Rugani等人（2015）发现，当雏鸡被迫向那些刺激物移动以获得食物奖励时，它们对向左边展示的少量食物和右边展示的大量食物表现出偏好。即雏鸡可以将较小的数量与左侧联系在一起，较大的数量与右侧联系在一起，也表现出了类似SNARC的效应。这是未经训练、没有经验的动物出现心理数字线的第一个证据。

针对这一现象，有研究者认为鸟类两半球间的联系很小（胼胝体缺失），这导致来自空间一侧的视觉信息几乎完全不在对侧半球得到体现（Larsson，2013；Rogers，Vallortigara，＆Andrews，2013）。因此，尽管Rugani等人在鸟类中发现了类似SNARC的效应，但驱动这种效应的机制可能不同于人类。而探索猴子是否在空间上定位数字，可能会产生更多关于人类数字空间联结的进化起源信息。

Drucker和Brannon（2014）首次探索了灵长类动物的数字空间映射。研究使用Rugani等人（2010）的有序旋转范式，训练四只成年雄性恒河猴从5个垂直排列的刺激底部选择第4个位置，改变刺激的间距，测试恒河猴对旋转90°成水平线的相同5个刺激的响应是否显示出定向的数字空间映射。结果发现，恒河猴优先从左侧而不是右侧选择第4个位置，说明它可以将数字映射到空间上。为了进一步探索这种表征的进化起源，Adachi（2014）考察了最接近人类的灵长类动物黑猩猩是否以与人类相似的方式将获得的序列映射到空间。实验中黑猩猩接受了一项数字序列任务的训练，在测试时，只有两个数字（1和9）水平排列。在一半的实验中，1位于9的左侧，而另一半的实验中1位于9的右侧。结果显示，当1在左边，9在右边时，它们的反应比1在右边，9在左边时快。这一结果表明，黑猩猩和人类一样，会自发地将一个习得的序列映射到空间。最近的一项研究同样在大猩猩中发现了数量的空间映射，实验要求在一种情况下选择一对点阵中较大的数量，在另一种情况下选择较小的数量，结果也显示出任务指令颠倒后空间方向的灵活逆转（Gazes，Diamond，Hope，Caillaud，Stoinski，＆Hampton，2017）。

综上所述，对灵长类动物数字空间映射的研究表明，人类认知中数字和空间之间的联结并非纯粹是文化经验的结果，而是具有深厚的进化根源的。因为灵长类动物不进行读、写、算等影响数空联结的文化活动，也可以将数字和空间联系在一起，而且这种联系产生于经验之前。

3 发展轨迹

虽然数字与空间联系的现象在成人中已广泛存在，但对这一现象的起源及发展仍知之甚少。普遍接受的观点是，这种数字空间的联结是人类文明的产物，文化、符号知识和数学教育是这种现象的根源。de Hevia等人（2010）的一项研究观察了缺乏符号知识和数学教育的7个月大的婴儿面对从左到右和从右到左排列的矩形组成的增加和减少序列的反应。结果显示，婴儿可以检测到从左到右排列的三个矩形序列的增加，而不能检测到其减少。这些发现表明，人类早期倾向于将数字顺序与从左到右的空间方向联系起来，这种倾向先于符号能力、数学教育以及阅读和写作技能的获得。为了尽可能避免生活经验的影响，de Hevia等人（2017）又进行了一项研究，他们使用音调递增和递减序列来观察0～3天大的婴儿是否能将递增序列与右侧空间联系起来，将递减序列与左侧空间联系起来。结果显示，即使是刚出生的婴儿也能将“少”联想到左边的空间，“多”联想到右边的空间。

以上关于刚出生婴儿的研究进一步证明了人类数字空间联结能力是有生物学基础的，但生物因素显然不能完全解释这种现象，为了进一步探索数空联结是何时开始以及怎样形成的，学者们陆续开展了以儿童为被试的发展性研究。

Berch等人（1999）首先对儿童的SNARC效应进行了探讨。他们采用数字奇偶判断任务，要求二、三、四、六和八年级的学生对阿拉伯数字0～9做出快速的奇偶判断。结果发现，儿童到了9岁才能表现出SNARC效应。Bachot等人（2005）测量了视空间残疾组的9岁儿童在数字比较任务（小于或大于5）中的SNARC，并将其与匹配组的9岁儿童进行比较。结果发现，对照组9岁儿童有SNARC效应，而视空间障碍组的9岁儿童无SNARC效应。Van Galen和Reitsma（2008）使用了数字大小判断和奇偶判断任务，对7岁、8岁和9岁儿童以及成年人进行了这种空间联结发展情况的研究。结果发现，当数字大小与任务有关时，SNARC效应出现在所有年龄组。但当数字大小与任务无关时，SNARC效应只在9岁儿童和成年人中被发现。这些结果表明，儿童7岁起就已经能够将数字与空间进行联结，但是要到9岁之后才能够表现出数字空间的自动联结。

另外，有研究使用了非符号数量刺激探究儿童的数空联结能力。例如Patro和Haman（2012）对96名儿童（平均年龄为4岁）使用了集合比较任务，每个刺激由两组矩形组成，每组矩形有2到10个不等，两组矩形的数量比例为1∶2，2∶3，3∶4。每组矩形的排列、形状和颜色都是随机的，大小也各不相同，但是矩形的总面积是恒定的（750mm2）。儿童需要判断两组矩形的数量哪个更多或者更少。结果表明，儿童在非符号数量比较中对屏幕左侧的少量矩形和右侧出现的大量矩形的反应更快。说明了符号数字系统并不是儿童数空联结的唯一基础。在非符号数量比较中也会出现方向性的数空联结，即使是那些还没有学会计数的儿童。

尽管最近有研究者进行了数空联结的发展研究，但对于这种发展轨迹究竟如何还没有达成共识。相反，这些研究强调，小学生数字空间联结能力的发展是可变的和复杂的，很可能是内在和外在因素相互作用的结果。

4 影响因素

4.1 文化因素

Dehaene等人（1993）认为，SNARC效应的方向取决于被试后天获得的阅读书写方向。据此，他们进行了相应的实验研究。结果显示，说法语的人表现出标准的SNARC效应，而说伊朗语的人表现出相反的SNARC效应，分别对应于各自从左到右和从右到左的阅读书写方向。Shaki和Fischer（2008）的研究进一步扩展了这一发现，即通过测试同时使用俄语（从左至右书写）和希伯来语（从右至左书写）的双语者，发现参与者在阅读俄语文本后表现出从左到右的SNARC效应，而在阅读希伯来语文本后表现出从右到左的SNARC效应。Shaki等人（2009）继续进行了跨文化的研究，加拿大人从左到右阅读单词和数字，显示出典型的SNARC效应；巴勒斯坦人从右到左阅读单词和数字，表现出了反向的SNARC效应；以色列人从右到左读单词，但从左到右读数字，他们没有表现出空间数字联结。实验结果进一步表明，数字和单词这两种阅读书写习惯都有助于形成数空联结的方向。

以上研究结果说明，不同文化环境下所进行的不同定向文化活动确实会对人们的数空联结产生影响，但这并不意味着数字空间表征的方向是由文化决定的。现有的研究仅可以说明的是，长期暴露于特定的环境线索会加强数空之间的联结。

4.2 数量表征形式

数字信息不仅能够以阿拉伯数字、汉语数字、罗马符号、手语、点阵的形式表达，也可以通过视觉、听觉等方式呈现。以往研究指出不同数量表征形式引起的数空联结程度是存在差异的，具体表现在联结强弱和反应速度上。Nuerk等人（2005）采用阿拉伯数字、德语数字单词、听觉通道下的德语数字单词和规则点阵4种刺激进行数字奇偶判断任务，结果发现以上4种刺激类型都出现了SNARC效应，但反应时却存在显著差异。其中，被试对阿拉伯数字的反应速度最快，数字和点阵次之，听觉通道下呈现的数字最慢。另外，Hesse和Bremme（2017）在研究中以阿拉伯数字和数字单词为刺激材料也发现了不同强弱程度的SNARC效应。由此可以看出不同数量表征的形式也会对数空联结产生影响，不过这种影响只是程度上的，不能决定SNARC效应的出现与否。

4.3 任务加工深度

研究数空联结的任务形式有很多，包括数字大小判断、奇偶判断、参考目标判断、颜色判断等。根据对数量信息的加工程度可以将这些任务分为两类。即当个体执行直观的数字加工任务（如参考目标判断、大小判断、奇偶判断等）时，需要对数字的大小和奇偶信息直接进行加工才能作出反应，因此加工程度较深。而在执行一些加工程度较浅的任务（如颜色、方向判断等）时，被试则不需要对数字进行判断性的加工，只需对目标刺激做出反应即可。以往研究显示，采用不同加工深度的任务得到的SNARC效应是有差异的，具体表现为SNARC效应的方向。有研究发现（沈模卫，田瑛，丁海杰，2006），当对数字进行较浅程度的加工时（仅仅注视数字），数字在水平方向上的空间表征被激活，但并未激活在垂直方向上的空间表征。而Mtiller和Schwarz（2007）在研究中使用深加工任务，结果表明存在垂直方向的SNARC效应。从以上研究中可以看出，不同数量表征形式的SNARC效应的方向受到了任务加工深度的影响，但以往的研究并未得到一致性的结论，因此，针对该领域还需要考虑多方面的因素进行深入研究。

5 神经生理学证据

虽然以往关于数字和空间的独立研究结果不同程度地暗示了顶叶皮层在数字和空间处理中的作用，但左右后顶叶皮层在数空联结中的关键作用的第一个因果证据来自对半空间忽视患者（Zorzi，Priftis，＆Umiltà，2002）以及假性忽视的健康参与者的研究（Umiltà，Priftis，＆Zorzi，2009）。Zorzi等人（2002）证明，当要求这些患者口头报告给定范围内的中间数字时，他们表现出向右偏差（例如，错误地报告14是11和15之间的中点）。对健康参与者（即那些没有脑损伤的人）的左右后顶叶皮层进行重复经颅磁刺激，结果出现了和半空间忽视患者类似空间忽视的现象。

随后研究者们针对数空联结现象进行了一系列的神经影像学研究。Ruscon等人（2007）发现应用于后顶内沟的重复经颅磁刺激降低了SNARC效应的强度。Umiltà等人（2009）发现除了更靠后的顶骨成分之外，额叶成分也参与了对数字刺激引起的内源性注意力转移的反应。大脑的其他更靠前的区域，特别是右额下回和右额视野也与心理数字线的空间定向 有 关 （Rusconi，Bueti，Walsh，＆ Butterworth，2011；Rusconi， Dervinis， Verbruggen， ＆ Chambers，2013）。Cutini等人（2014）使用功能性近红外光谱进一步建立了左右后顶叶皮层中潜在空间和数字认知的区域之间的功能关系。在一项数值大小比较任务中，他们发现除了左侧角回激活之外，受数值距离调节的双侧顶内沟中与SNARC效应相关的血流动力学反应增加。最近一项使用功能性磁共振成像的研究试图根据数值大小或空间位置明确区分具体的功能区域（Kanayet，Mattarella－Micke，Kohler，Norcia，McCandliss，＆McClelland，2018）。结果表明，前和后顶内沟之间存在功能分离，前者与数值大小相关，后者与空间定位相关。这一发现可能有助于解释顶内沟和后顶叶皮层在数值和空间处理研究中的应用。

以上结果显示，数空联结的生理基础是一个分布式额顶网络，而针对这些功能区域网络的形成过程尚不清楚，因为目前关于发展中个体数空联结的直接神经影像学证据非常少。以往关于动物和成人的神经影像学研究表明，数空联结受到了先天的、生物进化因素的重要影响。另外，文化学习等生活经验也可能发展了前额皮层、角回、顶内沟区域之间神经的连通性。因此接下来仍然非常需要额外的研究来具体和直接地证明发展中个体数空联结现象的神经生理基础的形成过程。

6 理论解释

6.1 视觉空间编码

最具有代表性的视觉空间编码观是心理数字线假设（mental number line）。该假设认为数字在空间上沿着心理数轴（MNL）从左到右被表征。这一观点在数字认知的研究中是普遍存在的（Dehaene，Bossini， ＆ Giraux， 1993； Hubbard， Piazza，Pinel，＆Dehaene，2005）。然而，也有研究者提出了MNL的不足，例如，参与者对数字5的判断速度是由实验中数字的范围来调节的。当数字范围为1～5时，参与者对5的反应右边比左边快，但当数字范围为5～9时，左边比右边快 （Fias，Brysbaert，Geypens，＆D’Ydewalle，1996）。在一项研究中，Bachtold，Baumuller和Brugger（1998）训练参与者将数字想象成模拟钟面上的时间，并让他们判断所呈现的时间是在参考时间之前还是之后（参考时间：6点）。参与者表现出从右到左而不是从左到右的SNARC效应。在另一项研究中，在完成奇偶性判断任务之前，参与者被要求阅读出现在行首（左）和行尾（右）附近的大数和小数（左小右大，或者相反）的文本。结果发现，阅读体验减弱或逆转了从左到右的空间数字联结（Fischer，Mills，＆Shaki，2010）。这些发现表明数空联结的可塑性和灵活性，MNL无法解释这些现象，因为该理论认为数字与空间之间的映射具有长期的稳定性。

6.2 言语空间编码

一些研究者认为，SNARC效应是语言标记或编码的结果。例如Proctor等人（2006）提出了极性对应理论，该理论认为左与小／奇数呈负极性，右与大／偶数呈正极性。数字与空间之所以会联结是因为刺激和反应的极性产生了重叠，因为一致性的极性导致了更快的反应。所以左手对小数反应较快，右手对大数反应较快。这种语言编码的解释与可测量的MARC效应相关，即奇偶判断任务中，被试左手对奇数反应更快，右手对偶数反应更快（Nuerk，Iversen，＆Willmes，2004）。Berch等人（1999）发现了6年级和8年级儿童的MARC效应的证据，但2～4年级的儿童没有，这表明随着年龄的增长，语言因素的主导地位越来越大。Imbo等人（2012）的研究结果显示，发育中的儿童（9岁和11岁）的言语编码比空间编码作用更强。因此，虽然语言和视觉空间线索都可能作为外部线索来加强数空联结，但这并不是造成数空联结的根本原因。

这种基于不同维度正负极激活的理论可以解释双分类任务中出现的许多效应，但是它却无法解释数字空间表征过程中出现的按照数字大小排列的心理数字线，同样也无法解释倒置的SNARC效应（王姗，潘运，苏元平，2018）。并且由于此理论对正负极性的抽象定义以及对言语能力的高水平要求，使得极性理论更适合于成年人，对发展中的儿童缺乏可操作性。

6.3 工作记忆的解释

还有一些研究者认为，数字和空间之间的关联是短期的而不是长期的，并且是在任务执行期间建立的 （Fias，van Dijck，＆Gevers，2011；Fischer，2006；Fischer，Mills，＆Shaki，2010；van Dijck＆Fias，2011）。以上解释是基于van Dijck和Fias（2011）研究结果的发现，被试对序列的起始位置左手反应更快，更准确，对序列末尾位置右手反应更快，更准确。这种效应同时发生在数值和非数值刺激中。基于这一发现，Van Dijck和Fias认为执行SNARC任务的参与者在工作记忆中将呈现的数字编码为一个任务集，该任务集存储所呈现的刺激和所需的响应。较小的数字自然占据较早的等级，从而获得短期的左侧关联，而较大的数字就占据较晚的等级，从而获得短期的右侧关联。小与左、大与右的空间关联是由于参与者利用数字的现有序数属性，使1先于2，2先于3，以此类推，SNARC效应即反映了这个暂时的序数信息。

工作记忆理论可以更好地解释以下现象。首先，当数量大小与任务完全无关时，SNARC效应也会出现。第二，SNARC效应的范围依赖性。第三，SNARC效应也会发生在具有内在有序结构的非数字刺激（字母表的字母、音乐音调、必须学会排序的任意刺激）中。虽然这些现象很难用心理数字线理论（认为数空联结是长期形成且稳定存在的）来解释，但鉴于工作记忆理论强调的不是数值而是系统地分配到一个序列位置，所以该理论可以解释这种灵活性。

6.4 共享加工理论

大脑中存在一个广义的量值系统，在这个系统中，一个数量级域的变化（例如，大小的增加）会影响其他域的变化（例如，时间的延长）。神经影像学研究显示，在处理数字（Dehaene，Piazza，Pinel，＆Cohen，2003）、持 续 时 间（Pouthas et al.，2005）和 空间／长 度 （Pinel，Piazza，Le Bihan，＆ Dehaene，2004）时会引起后顶叶皮层内重叠区域的激活。行为研究也显示了这个系统中涉及的几个维度之间的相互作用，如数量和空间（Dehaene，Bossini，＆Giraux，1993；Winter，Matlock，Shaki，&Fischer，2015）、数量和物理大小（Reike＆Schwarz，2017）、时间和空间（Bonato，Zorzi，＆Umiltá，2012）、物理大小和空间（Wühr＆Seegelke，2018），以及其他数量级之间的相互作用（Macnamara，Keage，＆Loetscher，2018）。

以上这些发现可以作为共享加工理论的证据，说明不同的数量级（例如，时间、空间、数字）共享位于顶叶皮层的共同神经处理系统（Bueti＆Walsh，2009；Walsh，2003）。在同时呈现多个量级域的任务中，量级域之间的一致性有助于任务的执行（Wühr＆Seegelke，2018），而不一致性会削弱任务的表现（Coull，Charras，Donadieu，Droit Volet，＆Vidal， 2015； Xuan， Zhang， He， ＆ Chen，2007），即相关量级域的判断受到来自另一个域的与任务无关的量级信息的影响。虽然共享加工理论从神经和心理学的角度描述了成年人的量级处理过程，但目前的研究还不足以明确数量、时间、物理大小、空间等维度之间的关系是自上而下还是自下而上的，还需进一步探索以帮助理解量级在空间数值发展中的作用。

关于SNARC效应的本质，目前的理论模型都有其解释的局限性。很长一段时间以来，心理数字线模型一直都被认为是解释数空联结能力的经典理论。但随着越来越多的研究结果中展现出的SNARC效应的灵活性，使得该理论不再适用。继而就有研究者提出了极性理论来解释这种灵活性，但该理论又无法说明数字空间表征过程中按照顺序排列的心理数字线问题。随着数空联结能力研究的推进，研究者们发现空间与顺序性的符号之间也存在类似的关系，为了更好地解释这种现象，有研究者提出了共享加工理论和工作记忆模型。虽然这两个理论可以解释内在有序结构的非数值刺激的数空联结问题，但它们并没有为这个量级系统的发展提供一个框架。量级表征重叠到什么程度？文化习俗是否建立了这样的等级？它们的发展轨迹是怎么样的？针对这一系列问题，目前的研究还不足以回答这些疑问，尚需继续探索以进一步完善理论模型。

7 总结与展望

综合上述研究结果，总结出在未来的数空联结能力研究中几个值得探讨的问题。第一，关于数空联结能力的生物学基础问题。以往对婴儿的研究证明了早期对有序性刺激和数量增加的敏感性，并支持了婴儿先天倾向于将数字映射到空间两侧的观点。但这一结论有一个关键的局限性，即这些研究都是在美国婴儿身上进行的，而美国的阅读书写文化方向是从左到右的。因此，为了明确指出研究结果指向一种天生的数空联结能力，未来的研究应该针对在一种以从右到左阅读和书写习惯为主的文化中长大的婴儿进行研究。如果不同文化背景的婴儿存在一致性结果，将为数空联结的先天性提供更确切的证据。

第二，关于数空联结能力的进化起源问题。婴儿是解释文化经验对形成数空联结影响的关键人群，而动物研究可以解决这些联系可能的进化性质。人类是唯一拥有阅读和书写能力的物种，这可能会对我们形成的数空联结的性质产生不同的影响。探索其他物种也存在心理数字线或者对空间方位的偏好，对于理解人类为何以及如何会出现数空联结是至关重要的。因此，未来的研究可以选择更加合适的动物（刚出生并且与人类生理基础接近），更有效的任务以及足够敏感的工具进一步推进当前的成果。

第三，关于数空联结能力的神经机制问题。虽然以往研究显示了额叶和顶叶在数字和空间领域的重要作用，但是这些研究结果有待商榷。首先，来自学者们对数字和空间分别进行研究得到结论的总结，仅能间接地证明数字和空间的关键性脑区。其次，对脑损伤病人的研究为数空联结提供了病理学上的直接证据。最后，研究者们开展了关于成人的数字空间表征的神经机制的研究，结果显示存在一个分布式的额顶网络，特别是顶内沟和左右后顶叶皮层，是空间数字联结的基础。但是，成人空间数字神经网络和发展中的儿童可能是不同的，因为发育变化可能导致儿童和成人在不同的大脑区域处理相同的信息（Ansari＆ Dhital，2006；Ansari，Garcia，Lucas，Hamon，＆Dhita，2005）。而目前关于发展中个体数空联结能力的直接神经影像学证据非常缺乏。所以这些脑区是如何发展的，仍然是未知的。因此，未来的研究迫切需要从更精确的时间进程和更合适的发展中个体入手，进一步直接揭示数字空间认知加工的关键性脑区是如何发展的。