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面孔识别熟悉性效应的范式及ERP研究
面孔识别熟悉性效应的范式及ERP研究
00716031邱雪梅
摘要：
熟悉性对面孔识别的影响最早在面孔失认症病人（prosopagnosia）身上发现，此后研究者使用行为研究范式和脑成像技术探索了熟悉性对于面孔识别的影响。
本文从研究方法的角度出发，重点回顾了研究者使用的实验范式和ERP研究方面一些富有争议的结果，总结了重要的研究成果，探讨了争议存在的原因。
关键词：
面孔识别熟悉性范式ERP
1引言
熟悉面孔识别的概念很容易被人理解，而不熟悉面孔的识别似乎是一个自相矛盾的定义。
在研究中，各个研究者对于不熟悉面孔识别的定义有着轻微差异，以下两种是比较公认的操作性定义：
被试判定面孔为实验前没有见到的面孔；被试判定两张同时呈现的照片（实验前都没有见过）是同一个人的照片。
熟悉和不熟悉面孔的识别存在差异最早是在面孔失认症（prosopagnosia）病人身上发现的。
面孔失认症是一种神经心理性症候群，表现为对熟悉面孔的识别能力降低甚至丧失（YoungAW，1992）。
上世纪60年代起，很多研究者对面孔失认症病人进行了个案研究，大多数研究者发现此类病人不能再认出以往熟悉的知名人士及亲朋好友的面孔，但解释面孔表情的能力或者匹配不熟悉面孔的能力仍相当完好（Young等，1993）。
其中Malone（1982）等在一项实验报告了第一位病人能够进行熟悉面孔的识别，但是不能匹配不熟悉面孔；第二位病人能够匹配不熟悉面孔，但是不能认识熟悉面孔；脑扫描的结果显示这两个病人损伤的部位不同。
这种双分离现象充分说明了熟悉和不熟悉面孔的识别是两个有着质的差异的过程，并且两者依赖的脑区不同。
但是Bauer（1984）使用皮肤电记录和命名任务发现被试其实在生理层面能够进行熟悉面孔识别，只是不能进入到自动的语义加工层面。
这些研究都表明面孔失认症病人在看一个面孔时，他们仍可描述面孔的特征，但是所有外显意义上的识别却不能进行或功能下降，对非常熟悉人的面孔也没有任何的熟悉感（Kanwisher，1997）。
Young（1993）等人指出这些实验研究结果的差异一方面可能来自实验方法的差别，另一方面可能是因为不同实验中脑损伤病人受损部位以及受损程度并不相同。
早期研究证明了面孔失认症病人存在的面孔识别熟悉性效应，此后，研究者们开始探讨此种分离效应是否存在于正常被试，人们在识别不同熟悉性的面孔时是否使用了不同的加工策略，两者是否涉及到了不同的脑机制等等现象。
研究者们使用了一系列面孔识别中的行为实验方法，探究各种因素（如倒置、内外部特征、角度变化、光效等）对两者是否有不同的影响，从而探讨不同熟悉性面孔识别的规律和特点。
而近20年来，随着脑科学技术的发展，很多研究者采用功能磁共振成像（fMRI）、正电子发射层扫描（PET）和事件相关电位（Event-relatedPotential，ERP）等脑功能成像技术来探索不同熟悉性面孔识别是否涉及到不同的大脑机制。
Johnston和Edmonds（2009）对行为实验方法的研究结果进行了详细的总结，将到目前为止关于面孔识别熟悉性效应的行为研究中所涉及到的因素进行了归类（见表1）。
研究者虽然在很多因素上得到了一致的结果（如内外部因素、光效、倒置、表情、背景、光效、负向、区分度），在另外一些因素上面的研究却存在很大的争议，特别是关于运动对于不同熟悉性面孔识别的影响。
而脑机制研究结果更是富有争议，文章指出，这些争议很大程度上是由于各个研究者使用的实验方法的差异以及关注的研究重点的差异，因此，详细梳理这些研究所使用的实验范式，分析各种范式存在的问题有利于理解和解决目前研究存在的争议。
表1“促进（help）”或者“损害（hurt）”熟悉和不熟悉面孔的识别因素的总结表
（Johnston，Edmonds2009）
2学习-再认范式
2.1经典范式
这类范式是研究面孔识别中的熟悉性效应的传统方法之一。
该范式的标准形式主要包括三个阶段：
学习阶段，给被试呈现一系列照片；休息阶段，呈现白屏或者让被试做无关任务；测试阶段：
给被试呈现照片，让被试按键，判断哪些照片此前出现过，哪些没有出现过，记录被试的反应时间和正确率。
这个实验范式可以使用信号检测论，利用被试的击中率、虚报率、正确否定率、漏报率计算d'来反映被试的判断能力。
比较熟悉面孔和不熟悉面孔识别的d'来确定两者的表现是否有差异（Bruce,1982）。
通过改变学习阶段和测试阶段提供的照片可以研究不同因素中的面孔识别熟悉性效应。
由于这类范式简单易行，并且通过改变学习阶段和刺激阶段提供的图片，可以探讨各个不同因素和熟悉性效应的交互作用情况，因此在行为实验中得到了大量的应用。
如通过在测试阶段呈现不同角度的人脸照片，Bruce（1982）发现改变角度时，不熟悉面孔的识别速度更慢并且更不准确。
又如Schwaninger（2002）在学习阶段和测试阶段给被试提供的刺激图片包括人脸的单纯刺激图、打散图、打散-模糊图、模糊图四种（如图1），证明了构型信息和特征信息在熟悉和不熟悉脸孔中的识别中都起作用。
单纯刺激图打散图打散-模糊图模糊图
图1Schwaninger（2002）实验使用图
2.2修改范式
在传统的“学习-再认”范式的基础上，研究者进行了该范式的修改，去探讨一些更加细致的问题。
如吴文（2004）使用了如图（图2）所示的实验过程，证明了熟悉面孔或明星面孔的识别涉及多个认知加工过程，如语义或情景信息的提取及命名等，而不熟悉面孔的识别则不涉及这么多认知加工过程。
图2吴文使用的“学习-再认”范式示意图
Rossion（2001）在再认任务中将刺激的熟悉程度细分成了很多层次（刺激熟悉性从0%到100%，每20%一组），结果中使用主成分分析法发现被试的反应只在熟悉（60%到100%）和不熟悉的面孔（0%到40%）上有区别，说明被试对于熟悉和不熟悉脸的判断是一个绝对化的过程。
3匹配范式
3.1经典范式
匹配范式是面孔识别熟悉性效应中，另一个使用率很高的经典范式，最早是由Young等人在1985年时提出的，该范式的基本形式是给被试同时呈现两张图片，让被试判断是否是同一个人的，这个范式通常是不熟悉面孔识别检验的方法。
Young（1985）等人进行了两个实验，实验任务都受要求被试判断同时呈现的完全脸和只有内部/外部特征的脸是否是同一个人。
实验一中“相同”对的照片是从同一张脸的不同照片中截下来的，结果发现内部特征照片在熟悉脸中能够被更快地识别，而不熟悉脸则是外部特征的照片更快，方位和面部表情不同的照片上也发现了相同的现象。
实验二中“相同”的成对照片是从同一张照片上截下来的，结果发现被试的反应时间比实验一短，并且熟悉和不熟悉面孔之间没有区别。
Young指出这两个实验的差别在于呈现的照片是否是从一张图片上截下来的，当是同一张图片截下来的，被试会仅仅基于图片（image）特征进行了匹配，而不通过面孔的识别来进行判断。
和学习-再认范式一样，匹配范式也得到了大量的应用，并且很多研究者将经典匹配范式进行了修改，用于更加细致的熟悉性效应的探测。
3.2熟悉化范式
Clutterbuck和Johnston（2003）修改了这个范式，使得其可以追踪不同熟悉程度的面孔的熟悉性效应。
在实验中被试需要匹配不熟悉、中度熟悉和高度熟悉的面孔，面孔分为内部和外部特征两种。
结果发现，对于使用内部特征来说，高度熟悉的面孔比其他两者更加快，而外部特征则没有差别。
在此基础上，研究者们开始使用一种“熟悉化”范式，即让被试经过一段反复匹配任务的学习时间，然后进行匹配任务的测验。
如Bonner（2003）等人让被试连续三天进行同24张面孔的匹配任务，一半是在动态条件，一半是在静止条件。
第四天的匹配测验发现被试在内部特征使用上的成绩提高了，这说明了运动在学习内部特征的过程中是没有作用的。
OsborneandStevenage（2008）利用该范式的思想对面孔识别中形成内部特征优势（IFA，internalfeatureadvantage）的学习时间进行了探索。
实验中，他首先使用传统的匹配任务去研究倒置和正向面孔的IFA现象，发现正向的有，但是倒置的却没有；然后探究了出现IFA的训练程度，发现了90-180s的暴露对于产生面孔的IFA的中介作用是必要的，而180-270s的暴露使得先前不熟悉面孔能够出现和熟悉面孔一样的IFA现象。
从以上研究可以看出，熟悉化范式可以用来追踪面孔从不熟悉到熟悉的过程，也能够探索在面孔熟悉化的过程中哪些变量会起作用，揭示面孔从熟悉到不熟悉的过程。
3.3立即匹配范式
在研究面孔识别中的动态因素的时候，Thornton和Kourtzi（2002）指出传统的学习-再认任务由于识别熟悉面孔，并且在再认阶段的长达几分钟的时间间隔，使得其测试的基本是长时记忆的成分。
而KourtziandNakayama（2001）的研究指出动态因素对面孔识别的影响时间很短，大概几秒钟。
因此，Thornton和Kourtzi修改传统的面孔匹配任务，形成了立即判断范式（如图3）。
该范式可以用于测试工作记忆或者短时记忆的影响，因为该范式关注的不是你是否记住了此前呈现的面孔，而是是否能够利用当前的线索进行面孔判断。
实验发现动态面孔会使得被试的匹配任务成绩变好。
上排是静止启动面孔，下排是动态启动面孔。
图3立即判断范式示意图
4视觉搜索范式
4.1序列探索范式
最早的视觉搜索任务是Benton测验（Benton等,1983），在该测验中给被试同时呈现一个不熟悉的面孔和多项选择，让被试从选项中搜索出此前呈现的刺激并做出相应反应。
Young和Newcombe（1995）在一项研究退役军人脑损伤后的面孔识别熟悉性效应的实验中，前6次试次让被试先从五个假刺激中找出目标脸孔。
剩下的16个条目要求被试从六个同时呈现的照片中选出三张，这三张照片是刚才呈现的目标照片，这些照片在关系或者定位上有差别。
记录的是被试正确匹配的数目，但是为了排除策略的使用和速度-正确率的代偿，时间消耗也记录。
Bentin和Deoull在一项实验中使用的是让被试计数呈现的一系列图片中熟悉的政治家的范式。
这类计数的范式也经常被使用，通过控制呈现的假刺激，可以研究面孔识别的熟悉性效应更加具体的一些方面，具体的例子在后面的脑成像实验结果中我们将进一步讨论。
4.2矩阵-延时探索范式
Kanwisher（1997）等人将传统的序列识别范式修改成了矩阵-延时探索范式。
实验中，先用照片训练被试，使用的是两张正面角度照片，一张是运动的，一张是静止的。
经过一个时间延迟后，让被试从一个包含了2、4、6照片的矩阵中搜索目标脸。
这些脸孔有五种角度：
正面、22度、45度（左右），发现动态照片启动的被试比静态启动的被试在各种角度和面孔多少的测试中，在反应时间上有着优势，而这个用传统的再认任务是不能甄别的。
这说明动态因素对于面孔识别的优势作用是可以持续一段时间的，并且证明了在再认实验过程中长时记忆的作用。
其学习和测试阶段使用的面孔照片矩阵例子如下图：
图4学习阶段矩阵例子（左为静止右为运动）测试阶段矩阵例子
（Kanwisher,1997）
5分类范式
这类的范式一般是给被试呈现熟悉和不熟各半的脸孔照片，让被试依据一定标准对其进行分类，如性别、图片上的点，熟悉性等，被试进行按键反应，记录被试的反应时间和正确率。
这类的范式一般是和脑成像技术相结合使用，来探测被试对熟悉和不熟悉面孔做反应时参与脑区的不同，从而从生理结构上为熟悉性效应提供证据。
如Young（1993）给被试的测试图片中包含了32张黑白的照片，熟悉的和不熟悉的各半，每张照片变化角度10度，呈现4秒，被试尽快判断是熟悉的还是不熟悉的，记录反应时间和正确率。
又如Dubois和Rossion（1999）等人的实验分为训练阶段和测试阶段。
训练阶段给被试呈现了20个人（10男10女交替出现）持续14min的彩色录像（所有呈现的面孔都是20到30岁的），每段录像持续40s，期间，录像中人物抬头两次，呈现左右3/4角度。
一半人物是被试熟悉的，一半是不熟悉的。
此后进行一个熟悉化的过程：
在第一天，被试看了那些集中在面孔的录像后，马上做一个识别任务。
40张图片，一半是录像中出现的，一半是没有出现的干扰项目，被试将这些面孔进行分类。
任务完成后再呈现一次录像。
第二天，使用同一套面孔对被试进行测试，再看录像。
第三天，再次测试。
在三天中，录像中的面孔每天呈现了40s，共呈现了120s，并且在分类阶段，每张面孔出现了三次。
测试阶段：
每张图片呈现2s，然后白屏1s，每个情况共30张图片，记录反应时间和正确率。
第一套测试面孔是不认识面孔，第二套是认识面孔（出现在录像中的），男女各半。
第三套不认识和认识的各半。
控制任务中，被试用左右键对一个或者两个点进行反应。
第二个控制任务中，呈现第三套照片，让被试反应是知道的还是不知道的。
在实验三中，被试对照片的性别进行判断，使用的是熟悉的和不熟悉的照片组。
结果发现，梭状回的纺锤形面孔区（fusiform-facearea），在三种任务中都激活了，另外发现了局部的脑血流量的变化，左侧杏仁核（amygdala），一个和内隐视觉表征有关的区域，在不认识脸的表征中被激活了，而熟悉面孔的表征则激活了早期的视觉皮层。
一般这类范式都会和其他操作结合起来才能够证明熟悉化效应中的某些方面，如Clutterbuck&Johnston结合了熟悉化范式和分类范式，发现熟悉化过程会提高被试进行性别分类的速度，这个实验虽然没有直接证明熟悉化效应，但是它给我们提供了一种研究熟悉化过程的角度。
和分类范式有点类似的是面孔命名范式（Young，1993），即给被试呈现一系列面孔照片，让被试报告是熟悉的还是不熟悉的，并且要说出熟悉面孔的一个语义特征（如名字、扮演的角色等），这个一般用于研究熟悉面孔的识别。
6各范式比较
以上范式都是面孔识别熟悉性效应研究的经典范式，共同的特点范式的核心程序是简单易行。
学习-再认范式中将熟悉性细分为更加小的层次，匹配范式中使用的熟悉化操作以及动态因素研究中使用的延迟匹配方法都使得我们能够研究熟悉化的过程。
由于实验任务的差异，各类范式适用的研究因素是不同的，如匹配任务一般用于不熟悉面孔识别的测量，而学习-再认以及搜索任务既可用于熟悉面孔，也可用于从不熟悉到熟悉的面孔，而分类范式往往是和其他操作结合在一起的。
在研究动态因素时，这些简单的实验方法往往要经过一定的修改并且一般使用的是匹配任务。
这是因为动态的面孔更加接近现实生活，而经典的学习-再认任务往往只能使用静止的面孔照片，因此实验者需要将匹配任务和启动范式结合起来，使得其更加接近现实生活，比如测试阶段的视觉搜索任务就和日常生活中的从人群中找某个人类似，而这样才能够去研究动态因素的影响效果。
现在的面孔识别熟悉性效应的研究基本都是使用静止的照片或者是处理过的照片，而动态因素的研究提示我们以后的研究也可以更多的注意研究的生态效应，比如研究不同熟悉性现实人物的再认，从而揭示现实生活中人脸识别的熟悉性效应。
立即匹配范式缩短了匹配之间的时间间隔，使得其能够研究工作记忆或者短时记忆在匹配任务中的作用，而传统的学习-再认任务之间的时间间隔往往也长于工作记忆保持的时间，因此，缩短学习-再认之间的时间间隔，探讨工作记忆在面孔识别熟悉性效应的作用也是今后发展的方向之一。
此外，以上范式核心程序较为简单也带来了很多其他的影响因素，比如匹配任务中必须排除被试使用非面孔识别的认知策略来完成匹配任务，因此很多匹配任务中都不能够使用同一张图片上截下来的人脸照片。
而学习-再认范式由于涉及到长时记忆的提取，被试更加有可能使用和记忆提取有关的策略，从而影响研究结果。
搜索实验中被试使用的搜索策略更是直接影响了反应时间。
因而在实验中都同时记录被试的反应时间和正确率，这在一定程度上能够控制相关策略的使用，也使得实验的结果更加全面和具有说服力。
如Roark（2009）指出，目前使用这些范式做的行为研究在很多因素上存在着争议性的结果，比如有研究者发现，熟悉的和不熟悉的有特点（distinctiveness）的脸在中都更加容易识别，因为有特点的脸会引起更深层次和更加精细的加工，编码任务的类型决定了不熟悉面孔的区分特点被扫描的可能性。
而Lightetal.（1979）发现如果使得分配在普通脸和有特点脸的注意资源一样的话，普通脸和有特点的脸就没有何差别了。
又如关于倒置和熟悉性是否有交叉做用也存在很大的争议。
而在动态因素的影响作用上目前的研究都还很初步，尚没有动态因素和熟悉性的交互作用的直接研究。
以上结果，很大程度上是因为实验范式。
不同的研究者对实验范式进行了不同的修改，就能够得到不同的结果，并且由于动态因素和实际生活更加接近，目前尚未有较为成熟的研究它和熟悉性交互作用的范式，这些都表明目前熟悉性效应的研究方法虽然有很多，并且使用时间都很长，但是其变化较、敏感度过大，导致了很多争议性结果的出现。
想要研究更加精细的过程且得到更加一致的结果，修改范式是很必要的，而实验方法上的不足很突出地表现在了脑成像研究的争议性结果上。
7ERP研究
由于面孔识别范式通常会涉及到其他类型的任务，要剥离出单独的面孔熟悉性效应往往很难，因此，面孔熟悉性效应的脑成像研究到目前为止还比较少。
本文选取最富有争议的ERP研究中的一些实验结果来分析实验范式的缺陷，
上文已经提到过，时间相关电位（ERP）研究一般都是使用熟悉化和匹配任务或者熟悉性判断任务相结合的范式，使用以上范式，很多研究都发现了证明熟悉性效应的脑电研究证据。
如Rossion（2001）使用了熟悉化和熟悉性判断相结合的范式，并且将熟悉性刺激的熟悉性细分为了以20%为间距的五组，所有的任务判断都包含了性别判断任务。
结果发现不熟悉面孔在右侧枕颞视觉通路激活更高，主要分布在右侧枕中回和右侧后梭状回和右侧下颞叶皮层。
他们在2003年使用延迟匹配任务发现右半球的梭状回面孔区（thefusiformfacearea,FFA）和枕叶面孔区（occipitalfacearea,OFA）区，两者在不熟悉面孔的知觉中激活程度更高，这说明在右半球的面孔知觉种可能涉及到视觉和前语义过程的重合。
另外，有很多研究者发现，刺激熟悉性不同的刺激呈现时，N170活动的差异。
如Bentin（1996）等人使用视觉探测任务发现人脸引起了N170，倒置的脸导致了它的推迟，单独的眼睛部分引起的振幅比整个脸部还大，但是鼻子和嘴唇没有，这说明N170可能和人脑中检测人脸的区域有关，和N200人脸选择功能相似，但是它主要是在和眼睛有关的信息中作用更大。
但是Bentin（2000）使用面部命名任务时发现N170在名人和不熟悉的面孔没有显著差异，和任务无关，说明面孔的结构表征过程和熟悉性无关；随后使用了视觉探测任务，让被试计数著名的政治家，发现N400和著名脸孔识别有关，说明N400和面孔身份识别中的语义行为有关。
但是Caharel（2006）等人使用熟悉性判断任务以及在2002年中实验中只是呈现给被试不熟悉、名人以及被试自己的照片，发现了N170活动的差异。
这些结果不一致的实验使用的实验方法有很大差别，让被试做的任务有判断熟悉性、再认、分类等，可能发现差异的脑区是因为这些操作的差异而不是面孔熟悉性的差异。
在Leveroni（2000）等人的实验中，使用了再认任务,比较了在熟悉面孔的识别、实验前见过一次的不熟悉面孔的识别以及新异诱选项的拒绝任务中的脑区。
结果发现，熟悉面孔的识别在前额区、侧颞叶区和内侧颞叶区（海马）引起了更强的核磁共振图像（使用的是全脑以及事件相关功能核磁成像技术）的变化。
但是这些活动可能只是和一般的长时记忆的提取有关，在熟悉姓名和熟悉的室外场景的知觉中都观察到了这些脑区的活动。
以上ERP研究的争议性结果标示了更加成熟和更加具有区分性范式出现的必要性。
Bourne（2009）等人使用了一种叫单侧重复启动范式来研究构型和特征信息在面孔识别中作用的差异，实验发现在构型降低的图片呈现在左视野（右半球）时出现了负启动，呈现在右视野（左半球）时出现了正启动。
而特征改变的脸孔出现了相反的结果：
左视野的正启动，右视野的负启动。
这就证明了右半球加工的是构型信息，左半球加工的是特征信息。
这个实验虽然没有直接证明熟悉性效应，但是Roark（2009）指出有研究证明了够性信息和特征信息在熟悉性不同的脸中使用情况是不同的，因此，单侧重复启动范式可以作为今后脑电研究的实验范式。
从以上方法也可以看出，实验在不同的视野给被试呈现了不同的刺激，被试的反应发生了分离，得到了很有说服力的证据，并且其将研究变量分开呈现的精细方法正好可以弥补此前实验范式的不足之处。
8小结
学习-再认、匹配、视觉搜索、分类这四种范式是面孔识别熟悉性效应的重要研究方法，此前研究者们也使用它们得到了很多行为实验的重要成果，发现了光线、倒置、表情、角度等各个影响因素和熟悉性的交互作用，对于我们理解不同熟悉性面孔的识别提供了很翔实的证据。
但是在脑成像研究中结果多数存在争议，这是因为传统的研究方法中间包含了很多诸如分类、判断、搜索这类的活动，使得激活的脑区之间的差异不一致，不能将涉及熟悉性的脑区很好地探测出来，这就对实验方法提出了更高的要求，而单侧重复启动范式可能会是一个可行的实验方法。
在行为研究方面，目前研究了视角、表情、背景、光线、负向、运动、倒置、区分度、夸张度、内外部特征（Roark，2009）和熟悉性效应的交互作用，但是其中一些因素如负向、区分度等由于实验方法的限制存在了很多争议性的结果，而运动因素方面还没有直接的研究，这些都是以后研究的方向。
此外，面孔识别中的另外一些现象如认负荷效应、年龄效应、异族效应等和熟悉性效应之间的关系都还有待探讨，比如在不熟悉面孔中，人们对于同族人和异族人的反应是否有差别？
对不熟悉的和熟悉的同龄和不同龄的人反应是否又差别？
现在的实验很多关注的只是某个年龄阶段的被试的熟悉性效应的表现，熟悉性效应是否会有一个发展的过程，年幼小孩和成人的是否有差异这些也是有待探讨的问题。
另外，已经有一些研究者研究了不熟悉面孔变成熟悉面孔的过程，但是这个过程的影响因素以及相关的理论都还很欠缺，还需要大量的行为实验以及脑成像实验来详细地剖析面孔熟悉化的过程。
参考文献
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