视觉的内隐注意定向.docx

1、视觉的内隐注意定向视觉的内隐注意定向摘要：Posner在1980年提出了视觉的内隐注意定向，并使用空间线索化范式对其进行了详细研究，提出了内源定向和外源定向两种注意定向模式，撤离、转移和投如三个注意定向的过程。本文总结了关于两种模式的差异及相互关系的行为实验研究和脑成像研究，脑损伤病人和注意缺损多动障碍儿童的研究，并就其中存在的问题和争议提出了自己的看法。 关键词：内隐注意定向 内源定向 外源定向 空间线索化范式 1 引言 注意定向（attentional orienting）是指把注意选择性地分配到视野的特定部分。Posner在1980年结合前人对猴子警觉行为、脑损伤病人和自己在正常被试上做

2、的关于注意的研究提出了注定定向的理论。视觉定向理论(visual orienting theory)，也叫聚光灯模型(spotlight model)，认为个体可以根据任务要求，注意焦点可以像聚光灯一样移动;注意范围可以像变焦镜头一样进行缩放;而注意集中程度在焦点处最高，并向四周逐渐衰减，这个模型认为注意分布是以特定空间位置或者区域为基础的，系统地阐述了不同注意定向方式对视觉加工的影响。Posner认为定向表示注意对感觉信息输入和存储在记忆中的内部语义结构的调整，其中，外显定向（overt orienting）是指能够通过头部或者眼睛的运动观察到的定向行为，而不需要眼动注意也能够朝向某个位置,

3、这种注意定向就称为内隐定向(covert orienting)，它只能够通过中枢机制达到，因此不能使用外显的头部或者眼动来观察内隐定向。Posner采用了空间启动范式(Spatial cuing paradigm)（图1）进行了一系列的实验来论证其内隐定向的一些重要结论。图1 基本空间启动范式的示意图（Posner，1980）该范式的基本过程如图所示：屏幕呈现一个注视点和两个框（方框是1视角大小的，左右两边相隔8），被试先固定注视点，然后其中一个框被线索化，然后目标出现（一个0.1视角的图形），被试进行反应。根据线索的不同，可以分为内源线索（endogenous cue）和外源线索(exoge

4、nous cue)，前者是指加亮或者涂黑其中一个框150ms，后者是指在注视点出现一个指向其中一个框的箭头。大部分的线索（80%）会准确暗示目标的出现（有效线索valid cues），在少量的试次中，线索出现在目标出现的相反视野（无效线索invalid cues），有的条件下，没有线索出现，这是中性条件(neutral)。该范式的基本结果是：在有效线索的条件下，被试的反应会加快，这是线索带来的增益(benefit)，此时出现易化效应（facilitation effect）；在无效线索下，被试反应会减慢，这是线索带来的损耗（cost），此时出现抑制效应（inhibition effect）。出

5、现这样的情况表明被试的注意先被分配到了线索上，因此用这个范式能够较好地探究被试的视觉注意的空间分配情况。Posner进一步指出，线索损耗(invaild-neutral RT)表示撤离（disengage）注意的过程；线索收益(neutral-valid RT)表示转移（shift）和投入（engage）过程；效应（validity effect invaid-valid RT)测量了整个线索反应的整个强度。撤离、转移、投入是注意定向的三个基本过程，这三个过程后来得到了很多研究的支持，具体的研究结果总结见后。在这个范式中，Posner探究的是被试的内隐注意定向，因此整个实验过程中要求被试将眼睛

6、的注视点固定，这个范式就是后来的研究者普遍使用的内隐注意定向范式(The Covert Orienting of Visuospatial Attention Task COVAT)，虽然后来的实验者进行了一系列的修改，但是其基本的过程保持了一致。在实验过程中，Posner（1984）发现，当线索和目标出现的时间间隔（SOA）较短时（如50ms）时，有效线索会出现易化效应，但是当SOA较长（如800ms）时，外源有效线索会引起反应时（reaction time RT）的增加，这种抑制注意再回到此前线索化地方的现象叫做返回抑制（inhibition of return IOR）。这种现象只在外周

7、线索出现，不会在中央线索出现。据此，Posner指出，这种现象说明内源和外源两种线索在引起的注意定向在本质上是有区别的，外周线索引起的是外源反应，其是自动的过程，是一种自上而下的过程；而中央线索引起的是内源反应，受到自主过程的控制。后来有很多研究研究者对这两个过程的区别以及相互关系进行了探索，具体的实验结果总结如后。2 内隐注意定向提出依据 外显的注意定向很容易被人理解，而内隐的注意定向在Posner之前并没有引起研究者足够的重视。Posner指出，在我们的生活中有时候注意转移不一定要涉及到眼动，比如我们可以用我们的眼角观察。更加直接的实验证据是有研究者对猴子使用单细胞记录的方法，发现易化效应

8、出现在眼动之前，如Wurtz在1980年的实验表明感受野在眼动目标点周围的细胞易化效应出现在眼动150ms前，而视觉搜索开始于眼动前200ms。这就说明眼动和注意定向是可以独立存在的。为了更加直接地证明眼动和注意定向的分离，从而证明内隐定向的存在，Cohen(1981)使用了如下实验范式：2*3的方框，被试先看上面中间的框，一个信号出现在下面中间的框，让被试将眼睛注视点移到那里去，然后在信号出现的同时或者之前，上面一排两个周边的框其中之一亮，倒置被试出现眼动。目标等概率地出现在周边四个框中。如果注意是从上排移动到下排，那么目标出现在线索化或非线索化的两边Rt没有差异；如果注意保持在被线索化的环

9、境位置，那么上排将会出现易化作用；如果注意跟随着视网膜上的成像直接移动到线索化的位置，那么下排线索化的位置RT将会比非线索化的位置快，上排的目标将有相同的RT。结果支持第三种推论，这个和此前的很多研究不相符，但是Cohen发现，如果上排目标出现概率变大的话，那么这种结果就支持第二种猜测，这表明被试对于易化效应将要出现在哪里有自主控制，这个结果很好地支持了内隐注意定向。在此基础上，Posner在1984年使用一系列的实验探究了眼动和注意定向的关系，虽然他的实验目的只要是来探究IOR现象出现的原因以及机制，但是这些实验结果同时说明了视网膜上的成像和环境中的位置引起的注意定向的结果是有所区别的，这是

10、证明存在内隐定向的内在逻辑，因此回顾这些研究能够让我们更好地理解内隐定向的机制及其与眼动的关系。Posner先使用了在周边的框中出现一个视点固定在中间就看不清楚的数字600ms，要求被试读出来，然后加亮中间的框200ms，让被试将注意转移回来。然后间隔600或者1450ms，呈现目标刺激，有20%没有目标刺激出现，发现了线索化位置上很明显的抑制效应。在这个任务中，视网膜和环境中的像在同一个位置，为了检测是否只出现在环境中也能出现这样的抑制效应，使用了如图实验范式：这个实验范式中，将目标呈现在环境协同的位置上，并且此位置上没有视网膜的刺激。图2 Posner(1984)使用的实验范式此范式中，被

11、试先注意屏幕中央，一个数字出现在下排的左边或者右边的框中（EM1：eye movement），500ms后，一个数字直接出现在上一个数字的上面，被试移动自己的注视点（EM2），读出数字，500ms后，中间框亮，被试移动注视点（EM3），600ms或者1450ms后目标刺激出现。第一个目标几乎就是在被试将目光移到中间去之后，此前的研究表明，被试移动注视点的平均时间为250ms，因此被试是由足够的时间将目光移过去的。下部分表示目标出现在了视网膜上从未被刺激的位置，中心是固定的视点，而将其他所有事件重组到和它们的视网膜位置重合处。图示中，目标和数字都出现在左边。实验结果如图：图3 结果图（Posne

12、r，1984）实心圆：先前注视的边；空心圆：先前未注视的边，三角形：中心点 结果表明，被试在早期目标上有明显的抑制，它在早期和晚期目标出现的1000ms时减弱。任何一种情况下，被试将注视点移动到中央后的抑制效应表明抑制是需要环境性的而不是视网膜上的位置，从而证明内隐定向是存在的。易化是由内隐的注意定向产生的。定向可能被中央外周线索降低，可以出现在眼动前，也可以通过概率改变获得。怎样理解出现依赖视网膜协同的中央易化效应和依赖环境协调的外周抑制效应。易化效应是选择一个最可能出现刺激的位置，很多时候被试会将注视点转移到那里，但是即使是没有眼动，比之于视野中其他位置，那个位置也可以被更有效地加工，而抑

13、制效应是因为被试预期下一个或者两个目标出现在线索化的位置上的概率更小。抑制效应只出现在外周线索并且持续时间很长，说明了注意定向更加偏向于环境中的新异位置，而不是因为注意要从一个已注意的位置上撤离，避免对单个物体的注意负荷过大，这对于人类具有一定的进化意义。此外，Posner在1982年对脑损伤病人的研究中发现，核上性麻痹和右侧顶叶受损会导致内隐空间定向受损。而中脑疾病会影响眼动系统，但是不会影响内隐定向。顶叶受损后病人还是可以利用线索去促进损害和未损害视野中的表现。但是，目标出现在脑损伤同侧视野中，目标出现在对侧视野时被试的表现有很大缺陷，有的时候还会出现完全忽略目标的情况。这种双分离现象也说

14、明了内隐定向的存在。Posner早期使用一系列的实验，详细探讨了内隐定向的很多方面，除了以上提到的证明内隐定向存在的实验外，还证明了抑制效应不是因为要抑制对线索事件的反应，也不是因为相关神经机制的适应，是因为呈现了任何的视觉刺激，如果刺激会吸引注意的话，那么这种抑制效应将会被注意掩盖。同时发现首先被试将眼睛注视点固定时也可以观察到易化效应，其次当眼睛看向一边时，注意可以转移到另一个方向，再次，注意和眼睛看同一个东西时，眼动会被颞叶视觉视野中的物体吸引。此外，使用暗化线索的方法证明了注意的转移而不是颜色亮度的变化引起的易化效应。其中很重要的是Posner将注意定向分成了两种不同的模式：外源定向和

15、内源定向，前者是一个快速、反射性、自动化的过程，反映了注意中的自下而上的过程；后者是一个缓慢、控制性、主动的过程，反映了注意中的自上而下的过程。研究者们围绕两者进行了很多研究，随着研究的细化和深入，很多研究者发现这两个模式可能并不是完全独立的，而是由一些重合的机制。3 注意定向的两种模式 Posner(1984)认为注意控制包括了三个神经系统：前注意系统（anterior attention system,AAS），后注意系统（posterior attention system,PAS）和警觉系统（vigilance system）。AAS或者功能注意网络和前扣带回有关，是监控系统，在信息加

16、工的过程中起到控制作用，包括将注意自主转到空间位置上去。空间定向也有自动的过程，PAS补充了这一功能，它主要是通过蓝斑接受去甲肾上腺素的信号，同时涉及到上顶叶皮层，枕核以及上丘。外源线索是PAS激活的典型代表，而内源线索需要将注意自主地移动到目标上去，涉及到了AAS。这样就区分了注意定向的两种模式：主动定向和自动定向。在近20年来，研究者就这两种模式进行了很多研究，都证明了两者是独立的机制，主要的证据又如下几个方面：（l）两者自动化程度不相同：边缘线索捕获注意时的自动化程度更高，这体现在无论线索是否具有预测性，均会出现提示效应;边缘线索令人难以忽视，相对于内源性刺激，它对干扰刺激或竞争任务的影

17、响较不敏感;(2)提示效应受时间进程影响，非预测性边缘线索提示的效应会随SOA发生显著变化，体现为最初的利化效应及随后的IOR;（3）这两种空间注意定向模式可能存在不同的脑加工机制。 自从Posner提出两种模式后，关于两者的特性，很多研究认为外源定向是自动化的过程，而内源定向式自主性的。Treisman (2005)在研究选择性注意机制后，指出了四个自动化的标准：（1）该行为是不自主的，即不受意识的控制；（2）可以和其他认知过程同时发生；（3）和现在的任务不冲突；（4）没有意识的时候也可以出现。关于两种模式自动化的标准主要使用的是第一条和第三条。3.1 自动性和自主性 关于两者是否能够自主进

18、行，问题研究的核心主要集中在研究外源反应多大程度上自动化的。Jonides（1981）发现外周线索不会受当前任务的影响，而中央线索要受。Posner（1984）年发现在更长的时间间隔中会出现抑制效应。而Lambert（1987）发现即使提前告诉被试不要管线索的提示，他们的注意还是会被其吸引过去。这些结果都说明了两者的分离并且外源反应是自动化的。但是也有研究发现，外源反应在一定程度上可能并不是自动化的。比较具有代表性的是Muller等在1989年的研究：给被试呈现四个位置，在中间先出现一个箭头，间隔一段时间后其中一个框亮50ms，发现存在易化效应，并且各个时间间隔下都有这种易化效应，这个说明了出

19、现在视点外的刺激也能够引起注意卷入，由于易化效应在箭头和亮框在同一个位置时更大，这说明外源定向一定程度上不是自动的。但是，Yantis和Jonides在1990年的实验中使用的方法是将四个位置中的一个突然出现，被试注意中间箭头，这时候没有出现注意捕获，这说明被试的自主过程可以控制外源反应。而Van der Lubbe等人在2005年的实验中使用了更加具有特点的外周线索，发现出现了注意捕获。这些研究旨在揭示外源反应在多大程度上是自动的，这对于清楚认识外源反应的本质具有重要意义。但是由于实验者使用的刺激特性的差异，得出的结果也存在很大的分歧，对于处在视点外的物体是否能够引起注意定向，怎样的刺激能够

20、引起注意定向，或者刺激的哪些特性会引起注意定向都是值得进一步探讨的问题。3.2 和认知负荷、工作记忆的关系 关于自动化的另外一个标准就是能够和其他认知过程一起进行而不互相干扰，如果外源反应时自动化的，那么其就能够和视觉搜索、工作记忆（working memory WM）检测等认知过程同步进行，而内源反应则不能。最早探究注意定向和工作记忆以及认知负荷的应该是Jonides，他在1981的实验表明被试的外源定向与工作记忆负荷无关，实验中，被试同时完成记忆广度任务和视觉搜索任务，结果发现，外源线索不受WM的影响。 但是这个实验存在一些问题，首先使用的是70%有效线索，那么这个可能会引起外周注意定向效

21、应，从而影响了WM的效果。此外，实验的指导语是“将数字任务视为第二级任务，不要影响到你当前的搜索任务。”这样的指导语会让被试将资源更多的放在搜索任务上，从而影响WM的效果。 此后有些研究者得到了相似的结果（Santangelo 2009），如Zimmer和Macaluso (2007)使用了fMRI进行了相似的实验。实验1给被试呈现一串4个数字，呈现1.5s，为了随后的回忆实验，被试需要记住这些数字。在低记忆负荷的条件下，编码的顺序是“1 2 3 4”，而高负荷时是随机的顺序，如“4 3 1 2”。在各种长度的记忆延迟中，视觉目标呈现在左视野或者右视野，被试按键反应刺激出现在“上”还是“下”。

22、在一些试次后，在注视点给被试呈现一个探测数字，被试报告刚才四个数字序列中在这个探测数字之后的数字。实验2中，给被试呈现的是一个十字，和一个在注视点上方640ms变换角度的格子，低负荷的情况下，被试注意中间的十字，探测其出现的微小亮度变化；高负荷情况下，被试报告各自的角度变化。两个实验的结果都发现，WM在视觉皮层中不起作用。 但是Santangelo（2009）指出这些实验有一些值得商榷的地方，首先，两个实验使用的方法并不一定真的对WM要求达到了标准。一般的WM都会使用6个数字，4个数字很可能对WM的要求不高，因此，就不能说明到底是因为WM不起作用还是因为对WM太低。其次，虽然在Zimmer的实

23、验中是用屏幕给被试呈现的数字，但是这个并不能够保证被试就是使用的视觉来存储数字，被试很有可能使用了听觉信息来存储数字。已有研究者的研究说明了增加知觉负荷只会影响同一个通道的干扰项目效应（Santangelo，2009），因此，WM不起作用可能会是因为被试使用了跨通道策略。 关于注意定向和知觉负荷关系的研究中，比较具有代表性的是Santangelo(2007)，他们的实验中，被试需要做两个任务，一个任务是直角空间线索任务，另一个是既快有准地按键判断出现在上或者下的声音或者视觉刺激。这个实验方法使用了顺序视觉或者听觉（sequential visual/auditory presentation

24、RSV/AP）呈现目标数字和干扰字母的方法。有三种负荷状态，一种是高负荷：对两种任务反应；一种是中负荷：被试只对线索化任务反应，不对RSVP反应；另一种是低负荷：只有线索化任务呈现并且反应。如果被试的成绩受到了高低负荷的影响，那说明了在中央注视的条件下，外源注意定向会出现，而实验结果也验证了这一点。但是在这个任务中，由于RSV/AP是一串，而空间线索化任务时固定不动的，所以很可能前一个任务会耗尽被试的资源，因此结果会出现混淆。 Santangelo（2008）得到了相似的结果，形状组块中，实验中有三种任务，中心任务：中间有一个不断变化形状的图形，被试需要在其变成三角形时进行反应；还有外周任务：

25、被试需要按不同的键区分出现在屏幕上方或者下方的圆。还会有一个出现在屏幕左边或者右边的线条。形状和颜色组块中中间的形状会同时改变颜色。结果发现被试在实验中的RT：线索化形状形状+颜色。这说明知觉负荷对于被试的中心任务是有影响的，而这些不同的知觉任务没有影响到外周线索的表现情况。 但是，Berger (2005)等人发现当中间的任务从区分*和p变为区分Q和O后，内源和外源定向出现了重合，他总结说“内外源定向在地任务要求时是独立的机制，而在高任务要求时两者相互竞争，就会出现相互作用”。但是他使用的箭头任务会干扰自主定向效应，并且区分任务也不是最考察内源和外源线索的最合适的方法。因为有研究表明这种任务

26、只对外源线索敏感而对内源线索就不敏感。 两者的区别是因为Santangelo等人使用的“知觉负荷”这个概念和Berger等使用的“任务难度”有些不同。Lavie,（2005）认为高知觉负荷条件下降低干扰项之间的相似性不仅仅是任务难度普遍上升的结果。比如常常使用的减小目标的大小使得其不能够被看见，这种类型的操作并不一定能够增加用于目标的注意。换言之，目标辨认既对感觉“数据限制”（data limits）也对注意“资源限制”（resourse limits）敏感。虽然这些操作能够提高整体的任务难度，但是没有降低干扰项之间的交互作用。 综合以上结果可以看出，由于对知觉任务类型的选择、其难度的控制方法

27、不同，实验者得到了相互矛盾的结果。而Berger的理论具有一定的启发性，是否在高低负荷条件下，内源反应和外援费反应的模式会有所差别，这其中是否存在着和知觉负荷影响注意的早晚选择相似的机制，哪些知觉任务以及怎样的知觉任务难度会影响两者的反应模式，这些都是值得进一步探讨的问题，也能够为更好地统合选择性注意、注意定向、注意捕获等注意研究的重要方面提供更加完善的结构。3.3 两种模式关系的几种观点在总结了自动化和两种模式和工作记忆以及知觉负荷关系的研究后，关于两种，模式的关系存在以下三种观点：这两种模式是一种机制的两种定位方式，因为Jonides在1990的实验中发现内源线索可以影响外源线索，即被试的

28、自主过程可以控制其外源注意定向，但是反过来不行。视觉空间出现的刺激的“本质”可以捕获注意，但是这个不能够解释为什么有的时候不能捕获。Muller 1991 的实验证明了两者可能依赖的是相互独立的系统，因为，外源线索也可以影响内源线索的加工。Van der Lubbe等2005年的实验证明了在高度集中的情况下，被试的注意也可以被在外周出现的刺激捕获。这说明两者使用的是不同的机制。但是这个不能解释Santangelo等人2007年和Berger2005年的实验结果。最后一种能够较好解释目前出现的实验结果的思路是认为这两种独立的机制在足够低的任务要求下，可以产生独立的定向效应，即使是在两者互相竞争的

29、情况下。任务难度增加会使得两者竞争共享的资源，因此，在合适的情况下，自主对自动和自动对自主的影响都能够观察到。因此，任务本质在内源和外源空间定向扮演了一个比较重要的角色。中央任务会通过影响需要引起外源定向的阈限来影响被试的表现：简单的任务或者那些只涉及到小程度知觉负荷的任务，或许会降低外源定向的阈限，从而有利于新出现刺激的捕获，而难的任务会增加阈限，从而抑制刺激的捕获。3.4 和两种模式相关的脑区 Matthew（2001）等人总结了和两种模式相关的脑区实验后，指出在猴子和人类被试中的单细胞记录和脑成像实验都发现后顶叶区和内隐定向有关。其中顶叶皮层中的角回（angular gyrus）区及其周

30、边，包括外顶叶沟（posterior intraparietal sulcus）和颞上沟（superior temporal sulcus）在注意定向中有很重要的作用。而Corbetta和Shulman（2002）综合了行为的、神经心理学的研究证据后指出，两种注意定向有着相对应的神经系统。一个系统是用于筛选感觉信息的（目标驱动、内源注意），在后顶叶背侧和额叶；第二个是对和行为相关的刺激反应的（刺激驱动、外源注意），主要位于右半球后侧，包括颞顶区（temporoparietal）和额叶腹部皮层（ventral frontal cortex）。然而，神经成像的研究表明内源和外源线索激活的脑区涉及到

31、更大的范围，包括双侧前运动皮层（bilateral premotor cortex），双侧后顶叶皮层（bilateral posterior parietal cortex）和中部额叶皮层（medial frontal cortex）。这些研究的结果可能是因为其中存在的方法学效应（如使用的组块设计，内外源线索的差异以及眼动的控制和随机效应的分析）。Peelen (2004)等人在控制了这些因素后也没有发现两种线索激活的脑区的差别。 要解决这些结果上的争议，首先应该解决的问题是使用能够将内源和外源反应彻底区分开的实验范式。Brignani(2009) 使用的方法在一定程度上解决了这个问题，他们指

32、出以前的实验通常使用的范式是有效和无效线索范式，外周线索可以用来研究外周定向，直接的中央线索用于研究内源定向。过去的20年，中央的符号线索因为要提取包含在其中的位置信息，所以被认为是内源定向。此前已有研究表明ERP中的早期搜索注意负波（early directing attention negativity EDAN）和内隐定向的控制过程有关，因此在实验中，他们使用了ERP来记录一些波段，并同时记录了 EDAN。他们的实验中使用了如图示的范式：图4 Brignani使用的范式示意图（2009）其中，最后一种线索叫做质地线索，实验中一半的被试被告知方形代表的是左边，另一半被试方形代表的是右边。它引起的神经活动反映了纯粹的内源定向机制，如果箭头和眼睛注视产生了注意的自动定向，那么它们和质地产生的波会在早期有差异，EDAN效应也会有差异。结果发现，箭头和眼睛注视信息和质地线索差生的波确实有差异，并且两者的EDAN也有差别，这证明了前人研究中提到的内源反应的早期过程中包含了一定的外源反应过程，产生了一个非常快的注意转换，早期的注意定向可能是和一些两个模式交互的地方相关，而不是和纯粹的外源区相关。由于使用的仪器以及使用的范式和刺激不同，脑成像的研究目前的结果有一些比较公认的结果，但是在具体涉及到两种模式的脑区上还存在较大差异。这个问题的解决首先需要解决范式的问题，Brignani(2