先天视觉经验缺失对颜色认知的影响：一项ERP研究 *

冯 杰 徐 娟 李亚兰 伍新春

(1 北京电子科技学院，北京 100070) (2 北京联合大学特殊教育学院，北京 100075) (3 北京师范大学心理学部，北京 100875) (4 北京师范大学珠海校区应用心理学院，珠海 519087)

1 引言

感觉是初级的认知过程，语言、思维等是高级的认知过程。个体的感觉经验与认知之间究竟有着什么样的关系，这是研究者们一直关注的问题。目前主流的观点认为，感觉与认知并不是相互独立的，个体的认知以感觉体验为基础，个体对周围世界的知识表征储存于感觉连接皮层（Barsalou et al., 2003; Martin, 2016; Simmons et al.,2007）。另一些研究者则认为，感觉与认知是相互独立的心理过程，感觉知识以抽象符号的形式存储于概念层面，并与感觉表征相分离（Leshinskaya &Caramazza, 2016; Mahon & Caramazza, 2008; Shallice,1987）。视觉是人类的一种重要感觉通道，明眼人在日常生活中有意无意地习得很多颜色知识。然而，与明眼人不同，先天盲个体从一出生便丧失视觉，由于颜色无形、无味、无声，视觉通道受阻的先天盲个体无法通过视觉直接感受各种各样的色彩。先天盲人和明眼人具有迥异的视觉经验，这为探究感觉与认知之间的关系提供了非常宝贵的研究模型。本研究通过对比先天盲人和明眼人颜色知识的差异，进而探讨感觉与认知之间的关系，具体而言即视觉与颜色认知之间的关系。

在该研究领域，早期教育心理学家Cutsforth（1932）提出了“verbalism”这个概念，指的是盲人所使用的一些词中，有一些对他们来说是没有意义的，比如颜色词、光亮词等。关于verbalism的相关研究详见Rosel等人（2005）的综述。然而，以往对盲人基本颜色认知的研究发现，盲人能够正确使用颜色词，并且盲人开始使用颜色词的年龄与同龄明眼人相似。有研究报告一个4岁的盲童能够正确说出一些物体的颜色（Landau &Gleitman, 2009），8～13岁的盲童能够说出大部分物体的颜色（Connolly et al., 2007）。除了基本的颜色概念和物体颜色知识外，研究者发现盲人还具有一些其他的颜色知识。一名先天盲童知道颜色词只能用来描述具体事物（比如猫和狗），而不能用来描述想法或故事等抽象概念（Landau &Gleitman, 2009）；另一名盲童认为“蓝色”是男孩的颜色，而“红色或粉色”是女孩的颜色（Bedny &Saxe, 2012）；盲人与明眼人一样会倾向认为“红色比黄色更重”（Barilari et al., 2018），“黑色物体比白色物体更重”（时琴琴, 2011）。

虽然盲人在颜色认知模式方面表现出一定的与明眼人的相似性，但是盲人和明眼人在颜色认知空间的大小和分布方面存在一定差异，并且盲人群体的个体差异也较大（Saysani et al., 2018;Shepard & Cooper, 1992）。Kim等人（2019）对比了先天盲被试和明眼被试的动物外形知识，他们发现两组被试在颜色维度方面表现出较大差异。张积家等人（2008）发现，盲人颜色概念的通过顺序与明眼人有所不同，后天盲对“白”和“紫”的通过率（即能够说出具有某种颜色的物体的比例）显著高于先天盲；在颜色词的分类上，盲人和明眼人都有彩色/非彩色的维度，但明眼人还有暖色/冷色维度，盲人的分类维度中有实物色/背景色的维度。时琴琴（2011）发现盲人在不包含红、绿、蓝的八种基本颜色上的通过率显著低于明眼人，并且在颜色的分类维度上也存在差异。

上述研究结果说明，盲人具有一定的与明眼人相似的颜色认知，但其水平和程度比明眼人弱。以往对于盲人颜色认知的研究主题较为分散，且研究多属于行为研究，只能简单地呈现盲人和明眼人颜色认知水平和程度的差异，这对于全面了解视觉经验缺失对盲人颜色认知的影响还是不够的，研究者也不了解其认知神经基础。在日常生活中，对物体颜色的认知是一种重要的能力，因此，本研究聚焦于盲人的颜色知识水平及其神经生理机制。

事件相关电位（event-related potential, ERP）具有较高的时间分辨率，使用ERP技术，研究者可以对个体认知加工的过程进行连续测量。N400是语言加工中常用的ERP指标，它表征语义记忆提取和/或整合（Kutas & Iragui, 1998; Lau et al.,2008）。这里需要区分一下N400反应和N400效应。N400反应是一个广泛分布的负的ERP成分，它在听觉或视觉呈现的词出现200～300 ms后开始出现，并在400 ms左右达到峰值；而由不同实验条件所诱发的N400反应的波幅的差异或变化称为N400效应，它在刺激呈现后200～600 ms之间出现，一般在顶-枕叶区域最大（对于书面词汇而言）（Kutas & Federmeier, 2011; Kutas & Iragui, 1998）。与视觉N400效应相比，听觉N400效应持续的时间更长，且其大脑分布更靠前（Kutas & Federmeier,2011; Kutas & van Petten, 1988）。

本研究采用启动范式，向先天盲被试和年龄匹配的明眼被试呈现颜色匹配的词对和颜色不匹配的词对，让被试依据常识进行判断，同时记录被试的行为反应和脑电信号变化。明眼人既可以通过直接的视觉感知来获取颜色知识，也可通过语言表述来学习颜色知识，而盲人只能通过语言描述来获得颜色知识。根据感觉与认知之间关系的讨论，本研究认为，若感觉与认知是分离的，那么从未有过视觉感受的盲人与视觉感受丰富的明眼人在本研究中的行为表现和脑电生理信号反应应该相同；若不同，则说明感觉与认知并非相互独立。

2 研究方法

2.1 被试

参与本实验的盲人组有11名男生和6名女生，平均年龄为20.94岁（SD=1.48岁）。所有盲人被试均为先天盲，平均开始学习盲文的时间是7.5岁（SD=1.52岁）。明眼组包括11名男生和10名女生，平均年龄为21.33岁（SD=1.53岁），视力或矫正视力正常，颜色视力正常。两组被试的年龄匹配，t(36)=0.80，p=0.431；均为右利手，无听力损伤，无精神或神经疾病。本研究获得所有被试知情同意，并在测试结束后给予被试一定报酬。

2.2 实验材料

使用174对双音节汉语词作为实验材料，向被试听觉呈现启动词-目标词词对，其中启动词为颜色词，目标词为指代物体的词。匹配条件下，启动词与目标词所指代的物体的颜色（正常状态下）是一致的，比如“白色-雪花”；不匹配条件下，启动词与目标词所指代的物体的颜色（正常状态下）是不一致的，比如“白色-煤炭”。本研究招募了17名在校大学生对研究中所使用的双音节汉语词的熟悉度进行李克特7点评分（1=非常不熟悉，7=非常熟悉）。结果发现，匹配组词语的熟悉度评分均值为5.54±0.89，不匹配组词语的熟悉度评分均值为5.60±0.83，两组词语熟悉度评分无显著差异，t(172)=-0.45，p=0.657。

所有听觉刺激材料均由一名以汉语为母语的成年女性录制，录音采样率为44.1 kHz，使用Praat做标准化处理，每个词的音强标准化为70 dB，音长标准化为600 ms。

2.3 实验过程

2.3.1 测试流程

对174个词对进行伪随机排序，其中4对词用作练习，其他词对为正式测验材料。使用Eprime2.0编写和呈现测试程序。每个试次开始时，首先出现一个600 Hz的纯音（500 ms），之后出现一个作为启动词的颜色词（600 ms），在一个500～800 ms的随机空白间隔后出现目标词（600 ms）。被试需要在目标词出现之后的3000 ms内尽量快速而准确地作出判断，判断依据一般常识并且只考虑事物正常状态下的颜色。匹配按“F”键，不匹配按“J”键，左右手按键顺序在被试间进行了平衡。为了避免使用耳机可能带来的额外电阻的干扰，本研究使用音箱来呈现语音刺激。两个音箱放在距被试1米远的前方，左右各一个，均与被试成45°角。

2.3.2 数据收集

本研究使用Neuroscan 4.5和SynAmps EEG放大器收集脑电数据，采样率为1000 Hz，带宽为0.05～100 Hz。每个被试佩戴一顶Quick-Cap 64导电极帽，帽子电极依据国际10-20系统分布于全脑。脑电数据收集时，使用系统默认的电极作为参考电极，该参考电极位于Cz和CPz之间。垂直眼电在左眼上下各一个，水平眼电在左右两侧太阳穴各一个，每个电极上的电阻控制在不超过5 kΩ。在脑电实验过程中，同时收集脑电信号和行为反应数据。

2.4 数据分析

离线脑电数据处理，首先，转换参考电极，用双侧乳突M1和M2的平均电位作为参考，并且只分析被试进行正确反应的试次；使用Neuroscan提供的线性回归方程对眼电进行校正；滤波使用30 Hz、Zero-phase和24 dB/octave的低通滤波；以刺激出现前200 ms为基线、刺激出现后1000 ms时间段对数据进行分段；基线校正后，去除任何电极上电位变化超出±100 μV的试次（匹配条件去伪迹去除的试次比例为20.2%，不匹配条件去伪迹去除的试次比例为17.2%）；最后，将每个被试两种实验条件下剩余的试次分别进行叠加平均。

本研究主要关注N400成分。对本研究中的波形图（图1和图2）进行观察，发现在目标刺激出现后300 ms左右开始出现一个负波，并在550 ms左右达到峰值，该成分可判断为N400反应。根据以往N400相关研究（Kutas & Federmeier, 2011;Kutas & Iragui, 1998），并结合本研究中的波形图（图1和图2）和地形图（图3），选取300～800 ms作为分析N400的时间窗。进入分析的电极包括分布于左半球的6个电极（FC1、FC3、C1、C3、CP1和CP3）和分布于右半球的6个电极（FC2、FC4、C2、C4、CP2和CP4）。使用SPSS22.0对实验数据进行方差分析，超过正负三个标准差的数据作为缺失值处理，并使用Bonferroni校正法对方差分析的结果p值进行校正。以实验条件和半球分布为被试内变量，以分组为被试间变量，使用2×2×2三因素方差分析对N400反应的平均波幅和峰值潜伏期分别进行统计分析。对于行为反应的正确率和反应时，以实验条件为被试内变量，以分组为被试间变量，使用2×2两因素方差分析，比较两组被试不同实验条件下行为反应的差异。

图1 明眼组和盲人组N400反应原始波波形图

图2 明眼组和盲人组N400反应差异波波形图

图3 明眼组和盲人组N400反应地形图

3 结果

3.1 行为结果

对正确率的两因素方差分析（实验条件×分组）结果显示，分组主效应显著[F(1, 36)=20.47,p＜0.001, η2p=0.36]，明眼组的正确率高于盲人组，见图4a；实验条件主效应不显著[F(1, 36)=1.53,p=0.224]，实验条件×分组交互作用也不显著[F(1,36)=1.12,p=0.297]。反应时的分析结果发现，实验条件主效应显著[F(1, 36)=19.84,p＜0.001, η2p=0.36]，实验条件×分组交互作用显著[F(1, 36)=6.19,p=0.018, η2p=0.15]，分组主效应不显著[F(1, 36)=0.76,p=0.390]。使用Bonferroni多重校正的简单效应分析结果显示，盲人被试对不匹配词对进行判断的反应时长于对匹配词对进行判断的反应时[F(1,36)=21.80,p＜0.001]，见图4b，明眼被试两种条件下的反应时无显著差异[F(1, 36)=2.16,p=0.150]。

图4 明眼组和盲人组物体颜色知识判断的正确率（a）和反应时（b）

3.2 脑电结果

3.2.1 N400反应波幅

对N400反应平均波幅的三因素方差分析（实验条件×半球分布×分组）发现，实验条件主效应显著[F(1, 213)=97.71,p＜0.001, η2p=0.31]，实验条件×分组交互作用显著[F(1, 213)=21.01,p＜0.001,η2p=0.09]，实验条件×半球分布交互作用也显著[F(1, 213)=25.12,p＜0.001, η2p=0.11]。半球分布主效应不显著[F(1, 213)=0.00,p=0.984]，分组主效应不显著[F(1, 213)=3.35,p=0.069]，半球分布×分组交互作用不显著[F(1, 213)=1.85,p=0.175]，三因素交互作用也不显著[F(1, 213)=0.71,p=0.400]。

对实验条件×分组两因素交互作用进行简单效应分析，结果显示，明眼组中，不匹配条件下N400反应的平均波幅大于匹配条件下的平均波幅，F(1, 437)=26.40，p＜0.001；盲人组中，不匹配条件下N400反应的平均波幅也大于匹配条件下的平均波幅，F(1, 437)=151.49，p＜0.001。匹配条件下，明眼组被试N400反应的平均波幅大于盲人组被试N400反应的平均波幅，F(1, 437)=18.13，p＜0.001；不匹配条件下，两组被试N400反应平均波幅大小无显著差异，F(1, 437)=0.10，p=0.759。

对实验条件×半球分布两因素交互作用进行简单效应分析，结果发现，左侧电极上，不匹配条件下的N400波幅大于匹配条件下的N400波幅，F(1, 213)=17.10，p＜0.001；右侧电极上，不匹配条件下的N400波幅也大于匹配条件下的N400波幅，F(1, 213)=16.84，p＜0.001。匹配条件下，左右两侧电极上N400反应的平均波幅无显著差异，F(1, 213)=0.92，p=0.340；不匹配条件下，两侧电极上N400平均波幅的差异也不显著，F(1, 213)=2.60，p=0.108。

进一步用不匹配条件下被试的N400反应减去匹配条件下的N400反应，得到N400反应的差异波，该差异波表示被试对不匹配刺激和匹配刺激的电生理反应的差异，即N400效应。使用两因素方差分析（半球分布×分组）对两组被试N400反应差异波300～800 ms内的平均波幅进行分析，结果显示，半球分布主效应显著[F(1, 213)=25.12,p＜0.001, η2p=0.11]，左侧电极上的N400反应差异波波幅大于右侧电极上的N400反应差异波波幅（图5）；分组主效应显著[F(1, 213)=21.01,p＜0.001, η2p=0.09]，盲人组N400反应差异波波幅大于明眼组N400反应差异波波幅（图5）；半球分布×分组交互作用不显著[F(1, 213)=0.71,p=0.400]。

图5 明眼组和盲人组N400反应差异波平均波幅

3.2.2 N400反应潜伏期

对N400反应峰值潜伏期进行实验条件×半球分布×分组三因素方差分析，结果显示，实验条件主效应显著[F(1, 218)=39.48,p＜0.001, η2p=0.15]，半球分布主效应显著[F(1, 218)=8.78,p=0.003,η2p=0.04]，分组主效应显著[F(1, 218)=23.21,p＜0.001, η2p=0.10]，半球分布×分组两因素交互作用显著[F(1, 218)=4.30,p=0.039, η2p=0.02]，三因素交互作用显著[F(1, 218)=12.15,p=0.001, η2p=0.05]。实验条件×分组两因素交互作用不显著[F(1, 218)=0.02,p=0.878]，半球分布×实验条件两因素交互作用也不显著[F(1, 218)=2.23,p=0.137]。

对实验条件×半球分布×分组三因素交互作用进行简单简单效应分析，结果显示，左侧电极上匹配条件下，盲人组N400潜伏期小于明眼组，F(1, 218)=6.29，p=0.013；左侧电极不匹配条件下，盲人组N400潜伏期小于明眼组，F(1, 218)=18.69，p＜0.001；右侧电极匹配条件下，盲人组N400潜伏期小于明眼组，F(1, 218)=26.81，p＜0.001；右侧电极不匹配条件下，盲人组N400潜伏期也小于明眼组，F(1, 218)=16.40，p＜0.001。明眼组左侧电极上，不匹配条件下的N400潜伏期大于匹配条件下的N400潜伏期，F(1, 218)=39.41，p＜0.001；明眼组右侧电极上，两种实验条件下的N400潜伏期差异不显著，F(1, 218)=1.45，p=0.230；盲人组左侧电极上，不匹配条件下的N400潜伏期大于匹配条件下的N400潜伏期，F(1, 218)=5.42，p=0.021；盲人组右侧电极上，不匹配条件下N400潜伏期也大于匹配条件下的潜伏期，F(1, 218)=15.08，p＜0.001。明眼组匹配条件下，左侧电极上的N400潜伏期小于右侧电极上的N400潜伏期，F(1, 218)=26.12，p＜0.001；明眼组不匹配条件下，左右两侧电极上的N400潜伏期无显著差异，F(1, 218)=1.42，p=0.234；盲人组匹配条件下，左右两侧电极上的N400潜伏期差异不显著，F(1, 218)=0.05，p=0.831；盲人组不匹配条件下，左右两侧电极上的N400潜伏期也无显著差异，F(1, 218)=1.54，p=0.216。见表1。

表1 明眼组和盲人组N400反应潜伏期（M±SD）（ms）

4 讨论

本研究旨在探讨视觉与颜色认知之间的关系。研究采用启动实验范式，使用事件相关电位技术，测量并分析了先天盲被试和明眼被试在进行物体颜色知识判断时的行为反应和电生理信号变化。本研究基于行为数据和脑电数据的分析结果，对视觉与颜色认知之间的关系进行讨论。

行为反应分析结果显示，盲人被试对物体颜色判断的正确率（M=0.84）高于随机水平，说明盲人具有一定的物体颜色知识。语言是人类用以表达思想、进行交流与学习的重要工具，人类使用语言来传递思想，实现文化的传承。语言中包含大量信息，盲人可以通过与他人交流或阅读（盲文）等方式获得颜色知识。但是，盲人被试的正确率显著低于明眼被试（M=0.94）。该结果表明，直接的视觉感知体验对颜色知识获得具有重要作用，视觉是获得物体颜色知识的有效途径。另一方面，盲人具有一定物体颜色知识的证据说明，人类对环境有很强的适应能力，当原有的知识获取通道（比如视觉）受损时，个体会发展出适应性的学习策略，通过其他完整的感觉通道（比如听觉）来进行学习。简而言之，盲人在颜色任务中正确率高于随机水平的结果说明先天没有视觉体验的盲人也具有一定的颜色认知，该结果支持“感觉与认知相分离”的假设；而盲人与明眼人在颜色任务中有差异的结果说明直接的视觉体验对颜色认知的重要性，该结果支持“认知基于感觉”的假设。因此，“感觉与认知相分离”和“认知基于感觉”这两种观点并不是对立的，而是解释了不同情况下的感觉与认知之间的关系。

脑电分析结果发现，先天盲被试和明眼被试中均出现了颜色不匹配所诱发的N400效应，即两组被试中颜色不匹配词比颜色匹配词所诱发的N400反应波幅更大。并且，不匹配条件下N400反应的潜伏期也长于匹配条件下N400反应的潜伏期。N400反应可以表征存储于长时记忆中的与目标词特征相关的一些表征的激活程度（Lau et al.,2008），当启动词与物体颜色匹配时，与目标词相关的特征较容易激活，有利于目标词识别；当启动词与物体颜色不匹配时，个体需要调动更多的认知资源来识别目标词，因此不匹配条件下N400反应的波幅更大、潜伏期更长。该研究结果表明，先天盲被试和明眼被试一样，也能利用启动词和目标词之间的颜色相关关系来促进其判断。此外，在盲人组和明眼组中均发现，左侧电极上的N400效应（N400反应差异波波幅）大于右侧电极上的N400效应，显示两组被试在物体颜色知识表征上均具有左半球优势。该结果获得最近一项关于盲人物体颜色知识的脑成像研究结果的支持，Wang等人（2020）发现先天盲被试和明眼被试都有左半球背侧前颞叶皮层支持其物体颜色知识表征。

研究者对盲人词汇语义表征的脑神经生理基础也进行了一些探索（Bottini et al., 2020; Striem-Amit et al., 2018; Wang et al., 2020）。Striem-Amit等人使用fMRI技术研究了先天盲人如何加工那些对他们来说不可直接感知的词汇（比如“彩虹”“红色”），研究者发现，盲人大脑的前颞叶皮层背侧对不可感知的词汇概念更敏感，前颞叶皮层侧面对抽象词汇概念比较敏感，而前颞叶皮层中部则更倾向于可感知的词汇概念。Wang等人对先天盲（或早盲）被试和明眼被试颜色知识脑神经表征的异同进行研究，发现盲人组和明眼组都有左半球前颞叶皮层背侧区域的激活，而腹侧枕颞叶颜色感知区则只在明眼被试中有激活。其他研究者还发现，明眼被试中，感知相似的颜色词或动作词在其枕叶皮层后部有引发适应现象，该脑区与那些已知用来表征低水平视觉特征的脑区重合；而早盲被试对感知相似的词汇则在颞叶皮层表现出更强的适应现象，该结果说明，盲人被试可能更加依赖词汇-语义编码来表征感知知识（Bottini et al., 2020）。以上研究表明，盲人对其不能进行直接感知的词汇（比如颜色词）的加工和表征主要在颞叶皮层，而明眼人的颞叶皮层属于语言加工网络的重要组成部分，由此推测盲人可能更加依赖语言信息编码来表征这类词汇知识。

本研究还发现，先天盲被试的N400效应比明眼被试大，并且，先天盲被试N400反应的潜伏期比明眼被试短。直接的视觉感知体验为明眼人物体颜色知识的习得提供了鲜明形象的线索，先天盲个体不能直接感知物体颜色，只能通过语言描述来获得颜色知识。日常生活中，明眼人颜色知识的获得在有意或无意中无时无刻都在进行着，而盲人通过语言描述对颜色知识的获得方式则在时空方面具有一定局限性。这种获得途径的限制可能导致先天盲个体的物体颜色知识弱于明眼人，他们物体颜色知识的认知空间可能小于明眼人。在进行物体颜色判断时，可能是因为先天盲被试所搜寻的认知空间较小，他们更容易对“匹配”和“不匹配”的关系进行认知分离，因而盲人被试组的N400效应更大，N400反应潜伏期更短。

5 结论

本研究发现，先天盲被试具有一定的颜色知识，并且他们的颜色知识表征与明眼被试一样具有左半球优势，盲人可能更加依赖语言信息编码来表征颜色知识。但是，先天盲被试的颜色知识水平比明眼被试差，先天盲被试中不匹配条件所诱发的N400效应比明眼被试大，N400反应的潜伏期比明眼被试短，这可能是因为盲人的颜色认知空间较小。直接的视觉感知是明眼人获得物体颜色知识的有效途径；视觉经验的缺失使盲人发展出与明眼人不同的学习策略来获得物体颜色知识；此外，视觉经验的缺失对物体颜色知识的认知神经表征也有一定影响。“感觉与认知相分离”和“认知基于感觉”这两种理论并不是对立的，它们解释了不同情境下的感觉与认知之间的关系。