选择性注意的神经机制和眼动注意模型研究

选择性注意的神经机制和眼动注意模型研究本文主要研究选择性注意的机制。选择性注意是这样一类认知过程:它们让有机体能够加工与当前情境相关的输入、思想或行为，而忽视与当前情境无关或引人分心的刺激。本文不讨论注意的非选择性过程，如唤醒;也不讨论注意与其他认知模块的相互作用，如记忆。所以，本文的术语“注意”将指代选择性注意这一特指的概念。本文立足于容量有限加工假设，即人类的信息加工系统不能同时加工高信息负荷的多重输入。在多重输入的重压下，人类的行为绩效会下降。由资源有限性造成的加工瓶颈使这个系统不得不艰难地“决策”到底选择哪些信息接受广泛加工或获得进入觉知的机会。1选择性注意的内涵注意一词可能有许多内涵，它涉及意识、觉知、注意力以及相关的功能障碍。注意是指将觉知集中于一个刺激、思想或行为上，同时忽略其他不相关的刺激、思想或行为的能力。注意研究是与认知心理学同步出现的。注意研究至少部分等同于对信息加工局限性的研究。注意的存在表明我们没有能力加工施加在感觉器官上的一切，并对其做出反应，而且我们也不需要这种覆盖一切的加工，特别是当我们身边充斥着大量信息的时候。内隐注意(hermannvonhelmholtz)指注意所指向的位置可以与注视的位置不同。实验证明:利用一种有意的意图，即使不产生眼动和眼球调节上的变化，人仍然可以将注意集中在外周神经系统的一个特定部分上，并同时将来自其他部分的注意排斥在外。2注意的神经机制脑电和脑成像结果为早期选择模型提供了数据证据，不同的实验和模型从不同的角度解释了注意的神经机制。高度特异化的系统参与到了注意控制之中。注意控制系统包括顶叶的一部分、颞叶皮质、额叶皮质和一些下皮质结构，这些区域组成了注意控制的根源。注意可以在多个加工阶段中起作用，自下而上的刺激显著性与自上而下的注意作用之间的相互作用决定了哪些信息输入可以到达觉知而哪些不能。2.1有意注意在使用提示任务对空间有意注意的线索化研究中，当目标出现在被试所预期的位置上，被试会更快地对其做出反应;而如果目标出现在未被提示的位置上，被试的反应会变得较慢。因此可知，当线索的预测能力促使被试将内隐注意指向被提示的视野位置时，这种内隐注意可能通过影响感觉和知觉加工来影响反应时间;当被试注意某一个刺激位置的时候，知觉加工就可能发生变化。初级视皮质对神经活动进行颅内记录的结果表明，最早一批上行输入信号进入纹状皮质V1是在刺激呈现至少35ms后，因此，P1注意效应反映的是皮质活动[7]。更多研究结果表明:最早的空间注意效应产生于纹外皮质，视觉选择性注意在视觉感觉加工的早期就在视皮质引发了稳定的变化。2.2反射性注意在反射性线索化范式中，注意是被外在刺激的低水平特征控制的，而不是被内源性地有意控制。这类效应趋向于表现出空间特异性，会影响到对被提示位置及其周边区域的加工，但只存在于外源性线索之后很短的一段时间里(50～200ms)。当任务无关的外源性刺激与目标刺激的时间间隔变大时(>300ms)，随着时间流逝，最近被反射性地注意过的位置会被抑制，被试对被提示位置上的刺激的反应会变得比较慢，产生返回抑制现象。当一个感觉事件与之后的一个目标刺激紧随出现在同一位置时，反射性线索效应就可能出现。在这种条件下，对被提示位置的反应时间短于对非提示位置的反应，但这种情况只在线索和目标刺激间的时间间隔较短(<200ms)的时候出现;在时间间隔较长的情况下，这种效应会发生反转，产生返回抑制。JosephHopfinger反射性的和有意的空间注意转移都会对早期视觉加工施加相似的生理调制。2.3视觉搜索的空间注意在视觉搜索过程中，当一个视觉搜索任务要求有意地进行注意移动时，被试的反应要慢于视觉搜索任务不要求有意地进行注意移动的情况;当被试让自己注意的焦点被搜索集中的视觉感觉信息驱动时，视觉搜索快于执行缓慢、自主控制的项目搜索。为了探索视觉空间注意的机制，Hans-jochenHeinze&G.R.M，Mangun将ERP和基于正电子发射断层扫描PET的功能性成像技术结合，实验发现空间注意会导致被注意视野的对侧半球纹外皮质激活，这种激活在腹侧皮质表面上的后部梭状回上尤为明显。由此可知，P1注意效应和后部梭状回的PET注意效应是相互联系的。在于空间注意的fMRI研究中，RogerTootell&AndersDale考察了视皮质中注意调控的组织细节，研究发现:空间注意表现为对多重纹外视觉区中神经活动的较强调节，同时也包括较小幅度的对纹外皮质的调节。2.4特征注意特征注意起到了提供信号让空间注意能够被指向含有相关特征的刺激所在位置上的作用，在这个位置上空间注意聚焦并执行更细节化的分析。MarissaCarrasco指出:提前提供指向刺激的某个视觉特征的注意线索会导致任务表现提升。注意既可以被指向某个空间位置，又可以被指向目标刺激的某个非空间的特征。SteveLuck&SteveHillyard发现:N2pc是内隐视觉注意聚焦的一个标志，它反映了加工过程中完成客体识别前的一个阶段。MaxHopf，Hans-JochenHeinze&SteveLuck在使用ERP和MEG同步记录的技术时发现:在搜索阵列呈现140ms后，在腹侧枕颞皮质出现了一个与特征选择相关的ERP，紧随这种特征注意效应，在枕颞皮质更前端的位置产生了N2pc。实验证明:在类似视觉搜索范式这种没有提前获知目标刺激所在位置的情况下，特征选择性注意早于视觉空间注意。特征选择会将随后的注意转移引导到这些被选择的特征所在的位置上，以便在此进行高分辨率的分析，从而识别联合目标刺激。在特征注意的成像研究中，MaurizioCorbetta&StevenPetersen利用PET技术考察了在选择性地注意某些特征(如颜色、形状、运动)时，纹外皮质中所发生的变化。研究发现:当被试在某个特定的刺激维度时，指向颜色、形状或运动的选择性注意在纹外皮质的神经被不同激活而且基本在各自不相重叠的脑区，并因刺激特征维度不同而受到调制。该实验也间接证明了选择性注意在特征分析完成之前便在通道特异的皮质区域内影响对输入的知觉加工。ArielSchoenfeld，Hans-JochenHeinze&StevenHillyard利用fMRI技术定位出了对指向颜色或运动的选择性注意敏感的脑区，并发现这些区域中与注意相关的神经活动在刺激中的运动或颜色变化呈现1200ms后出现。2.5客体注意JohnDuncan将空间注意与客体注意相对比，发现对同一客体可以同时进行两种知觉判断，而且判断正确率不会下降:但如果这2个知觉判断同时对2个不同的物体进行其正确率就会受到影响。Egly指出:在有效线索与无效线索分别指向不同客体时，与指向同一客体相比，空间线索有效性带来的行为上的反应时代价和收益变大。KathleenO’Craven，PaulDowning&NancyKanwisher通过实验证明:注意对于客体表征存在直接影响，注意促进对被注意客体的所有特征的加工。NotgerMueller&AndreasKleinschmidt利用fMRI技术证明了空间注意中存在的客体效应，即Egly提出的反应时效应。同时发现，在视觉皮质的V1区到V4区，目标与线索刺激同属同一客体与分属不同客体时相比，未被提示的位置表现出了更强的神经活动，且客体表征可以调制空间注意。2.6注意控制网络JosephHopfinger&MaurizioCorbetta利用fMRI技术对注意控制机制进行了研究。研究发现:当线索出现时，如果呈现相同的线索，但被试并不需要注意它们并对其做出反应，但要持续对它们进行被动注视，则相关的自上而下的注意控制网络脑区域(包括上部额叶、下部顶叶、上部颞叶、扣带后皮质的一部分和岛叶)并不会出现激活，虽然视皮质仍然会参与加工线索的视觉特征。除了有意空间注意的额顶叶注意网络，MaurizioCorbetta发现了其他参与注意加工的神经网络---颞顶联合区TPJ和腹外侧前额叶区域。2个系统共同起作用，以使注意可以被引导到相关的位置和潜在的目标，同时也可以在一个新的目标在他处出现时中断这一注意状态，以便注意中心得以转移。2.7注意的神经机制总结综上所述，脑成像研究为注意的早期选择说提供了确切证据，虽然不排除晚期选择的存在，但是后者尚缺乏脑机制方面的证据，有待于未来探讨。尽管大量的认知神经科学研究表明注意对视皮层加工的调节始于外纹状皮层，但是越来越多的证据表明初级视皮层的加工也能受到注意的调节。1)如果传入的感觉信号含有将被注意的相关的物理特征，这些信号在感觉皮质中就会发生变化。注意控制系统的投射影响着编码这些刺激特征的皮质神经元的兴奋性。2)实验数据指出了注意效应在知觉加工过程中产生作用的位置，在多个视皮质区区域，被注意的刺激与被忽视的刺激相比能激发更大的神经反应。3)高度集中的空间注意可以调节视觉系统中皮质下水平的丘脑中继核团的活动，这为早期选择模型提供了证据支持。4)基于特征的选择性注意对视觉皮质水平加工存在影响，且注意在刺激呈现后经过很短的潜伏期便已对视觉皮质水平加工的较早阶段产生作用。这与早期选择模型的观点一致。5)与选择性空间注意效应相反，特征注意的潜伏期较长，并且这种注意效应发生在视觉层级性加工系统的较晚阶段。6)基于空间的注意系统之外，还存在一个基于客体的注意系统。客体的出现会影响空间注意在空间中的分配方式。在一个客体内部，注意扩散会受到促进。当没有空间注意参与时，自上而下的注意控制可以在客体表征这一水平上影响知觉分析。7)从执行注意控制系统发出的神经投射与感觉特异性皮质区域中的神经元相联系，并经由这种联系改变后者的可兴奋性。如果某个刺激被赋予较高的优先性，它在感觉区引发的神经反应可能会增大;如果它与当前目标无关，对它的反应可能会减小。3眼动注意模型3.1基于不同控制网络(注意源)的眼动注意模型以眼动所受的不同注意控制网络(注意源)研究视角来看，眼动的注意模型可分为刺激驱动的眼动注意模型和概念驱动的眼动注意模型。3.1.1刺激驱动的眼动注意模型What模型是一个刺激驱动的眼动注意模型，强调视觉对识别物体的注意，揭示物体内在含义与维持固视的作用。在外显眼动行为上，这种视觉注意表现为固视与其维持时间，其中，固视的维持时间体现了个体对该物体注意的程度。Where模型也是一个刺激驱动的眼动注意模型，强调视觉注意对确定物体的空间位置和触发眼跳的作用。如果呈现在旁中央凹或者外周视野中的物体，尤其是新颖物体，那么个体视觉的注意可以有意识或无意识地确定其空间方位，并由此触发指向个体感兴趣的物体的眼跳，其中眼跳体现了个体对兴趣物体注意的意图。3.1.2概念驱动的眼动注意模型How模型是一个概念驱动的眼动注意模型，强调主动的视觉注意以及由此而触发的固视和眼跳。在外显眼动行为上，这种视觉注意表现为对于同一刺激、不同的固视对象和不同的眼跳方向。Spotlight模型也是一个概念驱动的眼动注意的模型，认为视觉注意类似于一个“聚光灯”，强调视觉注意与眼动是分离的，且视觉注意脱离中央凹注视的方向。视觉注意在场景中的转移机制具有持续性，且视觉注意的每次“聚焦”的空间范围是有限的，其中心任务就是定位。当位置确定后，就会触发指向该位置的眼跳。Morrison模型保留了“聚光灯”理论中将内部注意机制比喻成一个聚光灯的思想，并作了一定修改。该模型认为眼动是由于成功地加工引起的，而不是由于遇到“困难”引起的。当注意机制移动到下一个词的时候，就会有一个信号传到眼动控制系统，进而发生眼跳，使眼睛注视下一个区域。3.2基于不同知觉阶段的眼动注意模型以眼动注意发生在知觉不同阶段的研究视角，眼动的注意模型可分为早选择的眼动注意模型和晚选择的眼动注意模型。3.2.1早选择的眼动注意模型信息加工系统模型包含了感觉输入在内的脑对数据的这个加工过程。这个过程被认为是一个容量有限的阶段，强调只有一定的信息能够通过这一阶段并被眼动注意。在该模型中，大量有可能进入更高层