时间知觉注意调节的实验研究

时间知觉注意调节的实验研究

1不同时距加工机制的分离现象时间感知（s）是时间感知的一个广泛模型，属于极短距离（5s）的研究区域。时间知觉包括对事件持续性和顺序性的知觉。目前从认知神经科学角度对时间知觉的研究仅限于事件持续性知觉。时间知觉的理论模型分为生物取向、认知取向以及综合取向,生物取向模型主要强调有机体时间信息加工或计时活动的内源性成分,假设有机体大脑内存在一个生物钟或内部时钟,内部时钟是时间信息表征的前提。认知取向模型主要强调时间信息加工的外源性成分,即外部刺激因素、环境因素以及其它认知活动过程对时间知觉的影响,认为时间是从刺激环境特别是刺激的变化中加以抽象和建构而来的,是认知过程的间接结果,尤其是记忆和注意的结果。综合取向模型将以上两种观点加以整合,认为时间知觉是各种内部和外部因素共同作用的结果,因此较具生态学效度。生物取向观点强调时间知觉中的自动加工成分,认知取向观点强调时间知觉中的控制加工成分,综合取向则认为两种加工均存在于时间知觉中。时间认知分段综合模型强调认知时间的分段性,时间知觉中自动与控制加工的关系也应该随着时距的不同而动态的变化。认知神经科学提供了不同时距加工机制不同的证据。对一名叫H.M.的脑损伤病人的研究最早发现了不同时距加工机制分离现象。H.M.是一名两内侧颞叶(bilateralmedialtemporallobe)损伤病人,研究者要求H.M.再现1s~300s范围内的时距,结果发现H.M.能够较精确地再现20s以下的时距,而系统低估20s以上的时距。Eisler和Eisler用幂函数拟合了H.M.再现时距的数据,发现其心理物理函数有明显的断裂,分裂为高低两段。神经药理学的研究进一步表明自动加工与控制加工的关系随着时距的不同而有差异。Rammsayer运用神经药理学方法发现影响工作记忆的药物均会影响大约500ms以上时距的加工,而大约500ms以下的时距加工则有赖于基底神经节多巴胺活动性,表明约500ms以下时距不受认知控制影响,而约500ms以上时距则受工作记忆的调节。Lewis等回顾了功能性磁共振成像研究成果后认为,对时距信息有自动加工和认知控制加工两种加工机制,“1s”是两种加工机制的分界点。对“秒下(sub-second)”时距主要是自动加工,不受注意、唤醒等因素的影响,所涉及的脑区称为“自动计时系统(automatictimingsystem)”,主要包括小脑、基底神经节、辅助运动区等。对“秒上(supra-second)”时距加工主要是认知控制加工,易受注意、唤醒等因素的影响,与之有关的脑区称为“认知控制计时系统(cognitivelycontrolledtimingsystem)”,主要包括前额叶皮质、顶叶等。Lewis以自动加工和控制加工为标准划分不同的计时系统能够解释许多fMRI研究结果,但是由于fMRI时间分辨率较低,以此为依据提出以“秒上”和“秒下”为时间点来划分脑的加工机制则尚需要实验加以验证。注意调节对时间知觉的影响是划分两种加工的重要指标之一。最近的研究发现在视觉通道内对时间的注意调节能够对时间知觉产生影响。例如Coull等报告了一项fMRI的研究,操纵对时间的注意程度,证明了时间知觉受注意调节的影响,即时间知觉中存在控制加工。研究者在双任务实验条件下,通过指导语让被试按照比例将注意分配到视觉刺激的时间和颜色属性上,结果发现随着对时间注意的增加,时间分辨任务成绩提高,而颜色分辨任务成绩下降,同时前辅助运动区、右岛盖的活动性也提高,表明上述脑区与对时间的注意调节有关。时间任务比颜色任务更加激活的脑区有前辅助运动区、右岛盖、右背外侧前额叶,右背侧前运动区、左腹内侧前额叶、右颞下回、右颞中回、右颞上回、左顶下小叶、右顶下小叶、左前壳。表明以上区域与时间信息加工有关。此项研究明确了视时间知觉中控制加工涉及区域,但不能确定控制加工开始的时间点。事件相关电位具有极高的时间分辨率,能够弥补以上神经药理学和fMRI研究的不足。关联性负变(ContingentNegativeVariation,CNV)被认为与时间信息加工密切有关,有研究者对CNV波幅、峰值等与时间信息加工的关系进行了一系列的研究。以CNV为指标研究自上而下的对时间的注意调节,结果发现对同一刺激的时间和非时间属性的注意所激活的脑区有差异。例如,Gibbons等要求被试对同一听觉刺激分别进行时间和音调分辨任务,结果发现注意时间属性时额叶和中央区电极在150ms至1000ms诱发更负的波,后部电极在500ms至1000ms诱发更负的波;Pouthas等对同一视觉刺激分别进行时间和强度分辨任务,结果发现注意强度属性的最大波幅位于楔叶、前扣带回、左前额叶,注意时间属性比注意强度属性在右额叶诱发更大的波幅。但是以上的研究均是简单地将注意时间与非时间属性所激活的脑区相比较,而没有操纵对时间属性的注意程度这一变量。本研究采用改进的Macar双任务实验范式,要求被试完成时间分辨和音调分辨双任务作业,实现对时间知觉的注意调节。Macar双任务实验范式是通过指导语要求被试按照比例将注意分配到刺激的时间属性与非时间属性上,形成五种注意条件:只注意时间属性,忽略非时间属性;注意时间属性多于非时间属性;同等注意时间属性和非时间属性;注意非时间属性多于时间属性;只注意非时间属性,忽略时间属性。以往的研究发现,要求被试以不同的比例注意事件的时间属性与非时间属性时,被试均能按实验要求的比例分配注意,并影响其时间估计。本研究中以时间知觉所诱发的CNV为指标,操纵对刺激时间属性的不同注意程度,探讨此动态过程中听时间知觉的脑区激活特点。2方法2.1左利手及其他19名本科生自愿参加本实验,其中男4名,女15名,年龄为18~22岁(平均年龄20.11±1.10岁)。左利手1人,其余均为右利手,听力正常,视力或矫正视力正常,没有脑部损伤或神经系统疾病,在实验后给予适当报酬。其中有两人因为错误率过高而被剔除,有效被试为17人,男4名,女13名,平均年龄为20.24±1.03岁。2.2纯音刺激及特性计算机屏幕背景为黑色,注意提示图片为边长5cm的正方形,如图1所示,均由Photoshop6.0绘制。纯音刺激由Edifier耳机呈现,声音强度为50dB,频率分别为974Hz、1000Hz、1026Hz,呈现时间分别为540ms、1080ms、1620ms,声音刺激均由AdobeAudition1.5产生。实验程序由E-prime1.1编制,刺激的呈现和反应记录均由计算机自动控制。2.3主试和被试实验阶段实验中的注意分配提示如图1所示,注意资源用黑色表示,左边表示对时间的注意比例,右边表示对音调的注意比例。五种注意条件从左向右分别为:T条件,只注意时间,忽略音调;Tp条件,注意时间多于音调;tp条件,同等注意时间和音调;tP条件,注意音调多于时间;P条件,只注意音调,忽略时间。所有被试在实验前进行练习以熟悉实验过程,练习阶段与正式实验程序相同。在练习阶段被试学习并掌握如图1所示的分配注意方法。首先向被试呈现指导语和注意提示,确认被试懂得实验过程和注意提示含义后开始练习。练习完一组后,要求被试向主试解释实验过程与注意提示的含义。主试根据被试的回答纠正其中存在的错误,然后继续练习。至少练习5组,确认被试熟悉并掌握实验过程和任务要求后,结束练习。正式实验阶段,主试不要求被试解释实验过程与注意提示的含义,其余过程与练习阶段相同。实验流程如图2所示,实验开始时呈现注意提示(见图1)。要求被试将注意分配到刺激的时间、音调或两者之上。然后呈现两个声音刺激。第一个声音刺激呈现时间为1080ms,音调为1000Hz,第二个声音刺激呈现的时间随机选取540ms、1080ms、1620ms之一,音调随机选取974Hz、1000Hz、1026Hz之一,根据前面的刺激提示被试将注意分配到两个刺激的时间与音调属性上。最后呈现反应信号汉字“时间”或“音调”。当呈现“时间”时,判断第二个刺激呈现时间比第一个刺激“短”、“相等”或者“长”。当呈现“音调”时,判断第二个刺激音调比第一个刺激“低”、“相等”或者“高”。被试用食指、中指、和无名指按“1”“2”“3”三个数字键之一反应。(“1”表示较短/较低;“2”表示相等;“3”表示较长/较高。用左手反应时无名指按“1”,中指按“2”,食指按“3”;右手反应时食指按“1”,中指按“2”,无名指按“3”)。在一次试验中被试只做一次按键反应。在不同注意提示下对时间判断与音调判断的反应比例是相应改变的,在T条件下,100%的反应均为时间判断;在Tp条件下,75%的反应为时间判断,25%的反应为音调判断;在tp条件下,50%的反应为时间判断,50%的反应为音调判断;在tP条件下,25%的反应为时间判断,75%的反应为音调判断;P条件下,100%的反应为音调判断。实验共分为10组。每组只包含一种注意条件,由36次试验组成。采用拉丁方顺序平衡五种注意条件,每个被试前五组用左手按键,后五组用右手按键。在每组实验之间由被试自己调节休息时间(约1min)。做完正式实验的时间约为60min。2.4脑电并网电研究采用BrianProductsERP记录与分析系统。按照国际10-20扩展的64导电极帽记录脑电。采用Ag/AgCl电极,并以双乳突连线为参考电极,前额接地,双眼外侧安置电极记录水平眼电,左眼上下安置电极记录垂直眼电。滤波带通为DC~100Hz。采样频率为500Hz/导,头皮电阻小于5kΩ。连续记录脑电数据后离线分析,数字滤波为0.01~40Hz,自动矫正眨眼等伪迹,波幅大于±80μV将自动排除。分析时程为刺激呈现后的1400ms,基线为刺激呈现前100ms。2.5数据和统计分析2.5.1时间与期限制的匹配在脑电实验过程中,记录被试对时间与音调任务反应的错误率和反应时。时间任务包括T、Tp、tp、tP四种注意条件,音调任务包括Tp、tp、tP、P四种注意条件。为检验被试是否按比例将注意分配到时间属性与音调属性上,对每个被试每种任务类型的四个点分别用线性回归求其斜率。然后对时间与音调任务斜率作配对t检验,并对每个被试时间和音调高/低估百分数分别作配对t检验。为检验时间分辨任务和音调分辨任务难度差异,时间任务以T、Tp、tp、tP顺序,音调任务以P、tP、tp、Tp顺序对两任务反应时和错误率分别配对t检验。2.5.2功能定位方差分析对五种注意条件下两个听觉刺激所诱发的ERP进行叠加平均,各条件的有效叠加次数均达到了90次以上。综合考虑以往对CNV的研究和对时间的注意的脑功能定位的结果,本文选取Fz、FCz、Cz、CPz、Pz、F3/F4、FC3/FC4、C3/C4、CP3/CP4、P3/P4十五个电极点,对P1、N1、P2的波幅与潜伏期分别进行二因素(注意条件,电极点)重复测量方差分析。对CNV平均始潜时(CNV与X轴的交点)至540ms平均波幅进行二因素(注意条件,电极点)重复测量方差分析。所有方差分析的p值均用Greenhouse-Geisser法矫正。脑地形图由64导电极数据绘制。2.5.3差异波源分析使用BrainElectricalSourceAnalysis(BESA5.0)软件,选用四壳椭球模型(4shellellipsoidalheadmodal),对300~540ms时段只注意时间诱发波形减去只注意音调诱发波形所得到的差异波进行源分析。首先根据主成分分析(PCA)确定偶极子数目,然后不限制偶极子的方向和位置,使用遗传算法(GeneticAlgorithm)自动确定偶极子的位置,以相应的残差作为偶极子定位是否真实的评价指标。3结果3.1时间和通过音字音频任务的反应实验结果行为数据分析发现2名被试的错误率过高,其数据没有进入分析。图3为17名被试时间与音调分辨任务行为数据结果。时间任务反应时的斜率均值为79.697±61.475,音调任务反应时的斜率均值为-91.864±74.621,对时间与音调任务反应时的斜率作配对t检验,两种任务差异显著,t(16)=7.707,p<0.001,结果表明对时间属性的注意减少时,时间任务的反应时增加,音调任务的反应时减少。时间任务错误率的斜率均值为0.036±0.068,音调任务错误率斜率均值为-0.304±0.055,对时间与音调任务错误率的斜率作配对t检验,两种任务差异显著,t(16)=2.736,p<0.05,表明对时间属性的注意减少时,时间任务的错误率增加,音调任务的错误率减少。时间任务低估率均值为5.3±6.07%,高估率均值为8.38±7.93%,对时间任务高/低估计百分数分别作配对t检验,高/低估计百分数差异显著,t(67)=-2.623,p<0.05,表明时间任务倾向于高估。音调任务低估率均值为9.02±8.75%,高估率均值为10.59±12.48%,高/低估计不存在显著差异,t(67)=-1.024,p>0.05。以上的结果表明被试是按照实验要求将注意按比例分配在时间任务与音调任务上。对时间反应实验以T、Tp、tp、tP顺序,对音调反应实验以P、tP、tp、Tp顺序,将这两种任务反应时配对t检验,结果反应时差异不显著,t(67)=-1.906,p>0.05。对两种任务错误率配对t检验,结果错误率差异不显著,t(67)=-0.952,p>0.05,表明时间任务与音调任务难度不存在显著差异。3.2氟恒压电导率ps五种注意条件下,时间知觉所诱发的ERP见图4,首先为正波P1,其波峰位于约48ms处,主要分布于颞、额叶;接着为负波N1,其波峰位于约100ms处,主要分布于额叶;随后为正波P2,其波峰位于约174ms处,主要分布于中央、顶叶;最后诱发CNV成分,其始潜时位于大约190ms处,波幅在大约300ms时开始平缓,主要分布于额叶。由于将刺激一的1080ms与刺激二的540ms、1080ms和1620ms三种时距所诱发CNV波形叠加,所以在700ms~800ms、1100~1300ms观察到波幅下降。P1、N1和P2成分分析。分别以峰值和潜伏期为因变量进行方差分析,注意条件主效应均不显著(所有p>0.05)。但对五种注意条件下P2峰值LSD法多重比较发现,只注意时间(T条件)与只注意音调(P条件)的差异达到显著性水平(p<0.05),只注意时间诱发P2波幅均值为-0.115±1.785μV只注意音调诱发P2平均波幅为0.48±1.871μV。注意条件与电极点的交互作用均不显著(所有p>0.05)。CNV成分平均波幅分析。以CNV成分始潜时至540ms平均波幅为因变量进行方差分析,注意条件差异显著,F(4,64)=4.771,p<0.01。主要表现为随着对时间注意的减少,五种注意条件诱发波幅呈下降趋势,平均波幅见图5。进一步使用LSD法作多重比较(其结果见表1)。由表1可知,T条件与Tp、tp、Tp、P差异显著,Tp条件与tP、P条件的差异达到显著性水平,同时tP条件与P条件的差异边缘显著(p=0.052)。电极主效应显著,F(14,224)=54.146,p<0.001。主要表现为额叶电极波幅最大,FCz的平均波幅为-5.527±2.331μV,Fz的平均波幅为-5.361±2.224μV。注意条件与电极交互作用不显著,F(56,728)=1.350,p>0.05。对只注意时间减去只注意音调的差异波进行电压地形图分析(见图6)。由图6可知,由P2开始出现差异波,其主要位于额叶后部、中央及顶叶区域。并且随时间的推移,具有由额叶向顶叶移动的趋势。3.3偶极子的拟合使用BESA对只注意时间减去只注意音调的差异波进行偶极子溯源分析,首先对300~540ms时段差异波进行主成分分析,发现前三个成分分别能够解释总变异的84.8%、8.0%、1.8%。不限制偶极子的方向和位置,选用三个偶极子进行拟合。偶极子1定位于额上回(BA6,辅助运动区),其Talairach坐标为(18.3,6.9,52.1);偶极子2定位于顶下小叶(BA40),其Talairach坐标为(29.8,-51.2,35.2);偶极子3定位于额中回(BA6,辅助运动区),其Talairach坐标为(-19.9,-10.3,45.1)。该脑模型的残差为11.19%,具体结果见图7。4讨论4.1p2p之后注意对时间知觉的调节作用从图4可以看出,P1、N1在五种注意条件下没有显著差异,ERP数据统计也发现P1、N1五种注意条件主效应不显著,这可能是由于P1、N1只与听觉加工的早期阶段有关。P2峰值在五种条件下主效应不显著,但多重比较发现只注意时间(T)条件与只注意音调(P)条件差异显著,从图6可见T-P差异波开始出现于P2。这表明P2阶段存在时间信息加工。其他研究者对时间属性与非时间属性加工特点的研究,也得到同样的结果,如在Gibbons等的实验中要求被试对相同声音刺激进行时间与音调分辨,结果发现两种任务所诱发的P2峰值差异显著,表明P2阶段存在时间信息加工。由时距差异诱发的失匹配负波(mismatchnegativity,MMN)是时间信息自动加工的指标。Kujala等的一项对时间MMN的研究中标准时距间隔为120ms偏差时距间隔为20ms,在消极Oddball实验模式下诱发的MMN恰好位于190ms附近,该时间范围对应P2阶段,从另一个角度证明P2存在时间信息加工。但是在P2阶段注意能否对时间知觉产生调节作用呢?从图4可知,五种注意条件在P2发生了一定的分离,但主效应不显著,这表明P2阶段注意调节可能还未影响时间知觉。当然也可能实验方法精确性受限所致。在P2阶段注意调节是否影响时间知觉尚需进一步研究。从图4可见,本研究在P2之后时间知觉诱发CNV,五种注意条件下CNV波形发生了明显的分离,数据统计发现,在五种注意条件下CNV波幅主效应显著,其波幅随着分配在时间属性上的注意的减少而逐渐降低,同时行为数据发现对时间的注意逐渐减少时,时间任务的反应时逐渐增加,反应错误率上升,这表明CNV反映时间知觉的注意调节过程。其他研究者也认为CNV与注意有密切的关系。如Pfeuty等在听觉通道研究了不同时距诱发的CNV波,发现右侧CNV的波幅增加直到时距结束,反映了对时间信息持续的注意过程。Pouthas等在视觉通道进行相同的任务也得到了类似的结果。表明视听通道时间知觉诱发CNV均可以反映对时间的注意过程。本研究中注意调节为自上而下的控制加工,故CNV为时间知觉存在控制加工的生理指标。Lewis等提出“自动”与“认知控制”计时系统的观点对该领域的研究具有启发作用,但是将“秒”作为两系统分界点的观点,尚需更多的实验证据支持。Lewis所引用的前人以及自己的实验研究均只涉及两个时距脑区激活情况比较,如Lewis等比较了0.6s与3s时距脑区激活情况,结果发现0.6s比3s更加激活的脑区有前额叶皮质、前运动皮质、岛叶、颞叶和小脑,3s比0.6s更加激活的脑区有顶叶和扣带回。在实验中不能证明“1s”为两种加工的分界点,也不能证明0.6s时时间信息加工为自动加工。其他研究者也提出两种加工分离的不同的时间点。如Rammsayer在神经药理学研究的基础上提出500ms以下不受认知调节的影响,但Rammsayer也没有精确的测定控制加工开始出现的时间点。在本研究中从图4可以看出约250ms后五种注意条件即出现明显的分离,说明注意对时间知觉产生了调节作用,即时间信息加工中存在控制加工,提示时间知觉中控制加工的存在应该以CNV的出现为指标。控制加工开始出现的具体时间可能与刺激类型、任务等因素有关。在本研究中控制加工大约在200~300ms左右出现,而不是“秒”为分界点。由以上的分析可知,听时间知觉诱发P1、N1可能只与听觉加工的早期阶段有关,P2阶段存在时间信息加工,但在P2阶段注意调节是否影响时间知觉尚需进一步研究,CNV反映时间知觉的注意调节过程,时间知觉中存在控制加工应该以CNV的出现为指标。4.2辅助运动区、时间知觉注意调节本研究发现辅助运动区和顶下小叶与时间信息的加工过程有关。溯源分析中有两个偶极子定位于辅助运动区,其他研究者的相关的研究结果也发现辅助运动区与时间知觉有关,如Macar等利用ERP研究了时间产生和时间分辨任务中脑区激活的情况,发现目标时距较长时辅助运动区诱发CNV波幅较大。随后Macar等利用fMRI比较时间产生任务和力产生任务激活脑区的差异,发现时间产生任务中辅助运动区被持续激活。也表明辅助运动区在时间知觉中起着