2020年4月29日，北京大學心理與認知科學學院、北京大學IDG麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯(lián)合中心的張航研究組在 Journal of Neuroscience 期刊上發(fā)表論文，提出了一個新的計算模型用以解釋人類認知過程中廣泛存在的視覺啟動效應，認為啟動效應不是大腦對外界啟動刺激的固化響應，而是大腦在固有的注意振蕩與對未來目標的時間預期共同作用下的涌現(xiàn)特征。
啟動效應是指人們對事物的反應快慢會受到之前遇到的類似事物的影響。如下圖所示，當啟動刺激和目標刺激同為朝左或朝右的箭頭時，相比二者為相反方向的箭頭，人們的反應速度有可能會更快（正啟動）或更慢（負啟動）。
即使當啟動刺激的特征完全無法預測目標刺激的特征時（例如，二者相同和相反的概率各為50%），啟動效應仍然存在。多數(shù)前人理論因而將視覺啟動效應視為大腦對外界啟動刺激的一種固化響應，集中于探討啟動刺激如何影響相關特征的激活或抑制。然而，鮮有理論能夠完整地解釋啟動效應隨著啟動與目標刺激之間的時間間隔而發(fā)生的動態(tài)變化，更難以解釋近期羅歡研究組在實證研究中所發(fā)現(xiàn)的啟動效應的周期性振蕩現(xiàn)象 (Huang et al., 2015)。
論文作者提出了振蕩式時間預期模型（Oscillated Temporal Expectation Model，簡稱OTEM），試圖用一個統(tǒng)合的機制去解釋各種啟動效應及其時間動態(tài)特性。模型假設，啟動刺激出現(xiàn)后，大腦會為即將出現(xiàn)的目標積極進行準備。一方面，啟動刺激會引發(fā)大腦的注意振蕩，使得相關特征的注意增益隨著時間而發(fā)生周期性的變化；另一方面，目標刺激出現(xiàn)的時間規(guī)律影響著大腦對未來目標的時間預期，決定著時間增益。最終，注意增益和時間增益的共同作用決定了大腦在目標出現(xiàn)出對目標的準備程度，準備程度越高則反應時越短。雖然模型假定大腦對相關特征從未有過持久的激活或抑制，注意振蕩在不同特征上的相位差會給與啟動刺激相似的目標刺激帶來先發(fā)優(yōu)勢或劣勢，使得模型可以產(chǎn)生出持久的正啟動或負啟動效應。
OTEM模型不但為前人文獻中經(jīng)典的正啟動效應、負啟動效應和新近發(fā)現(xiàn)的振蕩式啟動效應及其時間動態(tài)特性提供了統(tǒng)一的量化的解釋，而且預測，啟動效應會隨著時間預期或注意振蕩的變化而變化。在兩個新實驗中，論文作者分別操縱了時間預期和注意振蕩，發(fā)現(xiàn)了符合模型預期的新現(xiàn)象——當時間不確定性降低時，啟動效應會增大；當注意振蕩減弱時，啟動效應會減小甚至消失。
與前人理論相比，OTEM的理論假說在兩個方面具有顛覆性：一是以日益受到關注但仍然相對非主流的注意振蕩現(xiàn)象為前提，反過來解釋了經(jīng)典的正啟動和負啟動效應；二是指出啟動效應在很大程度上取決于大腦對未來目標的時間預期。
本研究得到國家自然科學基金、北大-清華生命科學聯(lián)合中心、北京大學機器感知與智能教育部重點實驗室、深圳市科技創(chuàng)新委員會與廣東省腦連接圖譜重點實驗室的資助。北京大學心理與認知科學學院張航研究組的博士研究生王牧之為論文第一作者。北京大學心理與認知科學學院、北京大學 IDG 麥戈文腦科學研究所的羅歡研究員和中國科學院深圳先進技術研究院的黃艷副研究員也對論文做出重要貢獻。
References
Huang, Y., Chen, L., & Luo, H. (2015). Behavioral oscillation in priming: competing perceptual predictions conveyed in alternating theta-band rhythms. Journal of Neuroscience, 35(6), 2830-2837.
Wang, M., Huang, Y., Luo, H., & Zhang, H. (2020). Sustained visual priming effects can emerge from attentional oscillation and temporal expectation. Journal of Neuroscience, 40(18), 3657-3674. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2539-19.2020
2020-04-30