研究發(fā)現(xiàn)頭部轉(zhuǎn)動可以靈活地抑制視覺運動后效

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來源：心理研究所

2018-09-25

大多數(shù)視覺相關(guān)的心理學實驗會要求受試者靜坐在顯示器前，保持頭部固定，看著屏幕上的視覺刺激完成實驗任務。然而在實際生活中，人們觀察這個世界時，自身卻常常處于運動的狀態(tài)。因此，傳統(tǒng)的心理物理方法對于研究自身運動（例如頭動）下的視覺加工存在著局限。

大多數(shù)視覺相關(guān)的心理學實驗會要求受試者靜坐在顯示器前，保持頭部固定，看著屏幕上的視覺刺激完成實驗任務。然而在實際生活中，人們觀察這個世界時，自身卻常常處于運動的狀態(tài)。因此，傳統(tǒng)的心理物理方法對于研究自身運動（例如頭動）下的視覺加工存在著局限。為了研究自身運動對視覺加工的影響，以往的研究者們常使用機械裝置，例如讓受試者坐在機械平臺上，在平臺進行轉(zhuǎn)動或平動時完成視覺任務。但是機械裝置一般造價昂貴，體積較大，也較為沉重，缺乏便攜性，不易用來研究觀察者主動運動(locomotion)時的視覺加工，而且機械裝置使用時往往需要精密的矯正，這些都給研究帶來一些不便和限制。

中國科學院心理研究所行為科學重點實驗室設計了一種輕便的虛擬現(xiàn)實方法，通過固定在虛擬現(xiàn)實頭盔上的三維傳感器實時讀取觀察者頭部的三維空間朝向信息，并結(jié)合這些信息呈現(xiàn)實驗指定的視覺運動刺激。這樣可以便捷、系統(tǒng)和定量地研究頭動情況下的視覺加工。該研究工作由行為科學重點實驗室的鮑敏、張弢、蔣毅研究組合作完成，第一作者白建迎曾在這三個研究組擔任聯(lián)合研究助理。

作為檢驗和使用該方法的首個研究，實驗主要關(guān)注水平方向的頭部轉(zhuǎn)動如何影響視覺運動后效。視覺運動后效是一種常見的視錯覺。當觀察者盯著朝著固定方向運動的光柵一段時間后，立即觀看一個物理上靜止的光柵，觀察者會錯誤地知覺到光柵在朝著之前運動光柵相反的方向運動。隨著時間的推移，這種錯覺會慢慢地消失，錯覺持續(xù)時間的長短反映了運動適應效應的強弱。

實驗一包括頭動和頭靜止兩個條件。如圖1b所示，在頭動條件下，每當觀察者頭朝右轉(zhuǎn)動，屏幕的上視野會呈現(xiàn)一個往左運動的光柵，其運動速度和三維傳感器測得的頭動速度一致。而當觀察者頭朝左轉(zhuǎn)動時，屏幕的下視野會呈現(xiàn)一個往右運動的光柵。這樣，觀察者左右來回轉(zhuǎn)頭，便一直接受到與頭動方向相反的視覺運動的刺激輸入。這種視網(wǎng)膜運動信號在速度和方向上類似于日常生活中人們作水平方向頭部轉(zhuǎn)動時，周圍的世界在視網(wǎng)膜上留下的光流。待適應結(jié)束時，立即給觀察者呈現(xiàn)一個覆蓋上下視野適應位置的靜止光柵，觀察者會錯覺到光柵的上半部分往右漂動，下半部分往左漂動，適應后效的時長通過按鍵反應記錄。在頭靜止條件下，觀察者保持頭部靜止，觀看頭動條件時的視覺運動刺激的回放，同樣在適應結(jié)束后記錄適應后效的時長。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頭動條件相比于頭靜止條件，視覺運動適應后效顯著地縮短了。

有意思的是，在實驗二和實驗三中，研究者將頭動引起的視覺光柵的運動方向變?yōu)樨Q直方向（圖1b）或者與頭動方向相同（圖1c，即與日常生活的情形相反），結(jié)果仍然發(fā)現(xiàn)頭動縮短了視覺運動適應后效。所以，頭動對運動適應后效的抑制并不局限于人們?nèi)粘Ｉ钪蓄^動方向與視網(wǎng)膜運動信號方向的自然匹配關(guān)系，而是具有相當?shù)撵`活性。進一步的實驗四發(fā)現(xiàn)，這種頭動導致的適應后效的抑制取決于頭動信號與視覺運動信號的因果關(guān)系，一旦視網(wǎng)膜運動信號的速度和方向被隨機化，使得視覺運動刺激看起來并不是由頭動引起的，該抑制效應就消失了。

這種抑制現(xiàn)象的一個可能的解釋是突觸可塑性的赫布理論(Hebb， 1949)。以實驗二為例，由于往下運動的視網(wǎng)膜信號總是與觀察者朝左轉(zhuǎn)頭相關(guān)聯(lián)，編碼向下運動的視覺神經(jīng)元的活動模式便與編碼向左轉(zhuǎn)頭的前庭覺神經(jīng)元和本體覺神經(jīng)元的活動模式在時間上表現(xiàn)為一致重疊。赫布學習理論預測連接這兩群神經(jīng)元的突觸會得以增強。以至于神經(jīng)系統(tǒng)會把向下運動的視覺運動信號解釋為由向左轉(zhuǎn)頭導致的。因為這種視覺運動信號是可以由自身運動信號預測的，神經(jīng)系統(tǒng)便會抑制該視覺運動信號，以便更有效地加工環(huán)境中真正運動的物體的視覺信號，而不是去過多地加工這種由自身運動引發(fā)的不太有意義的視覺運動信號(Mial & Wolpert， 1996)。

該研究受國家自然科學基金（31571112， 31371030， 31271175和31525011）、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SMC030）和中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（XDB02010003）資助。研究結(jié)果在線發(fā)表于Behavior Research Methods。

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