视觉工作记忆内容对自上而下注意控制的影响：一项ERP研究

心理学报2011,Vol.43,No.10,1103−1113ActaPsychologicaSinicaDOI:10.3724/SP.J.1041.2011.01103收稿日期:2010-09-29*国家社科基金“十一五”规划(教育学)国家青年基金课题项目(CBA090125),教育部人文社会科学重点研究基地重大项目(08JJDXLX266)。通讯作者:杨海波,E-mail:[e-mail]1103ERP*111112(1天津师范大学心理与行为研究院,天津300074)(2北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室,北京100875)采用视觉搜索范式,以二维抽象对称图形为材料,通过记录\16名被试在长短两种时间间隔(ISI)条件和有效、中性、无效三种视觉工作记忆内容条件下的行为反应和事件相关电位(ERPs),探讨视觉工作记忆内容对自上而下注意控制影响的认知过程和脑机制。结果发现：(1)无论ISI长或短,有效信息条件(记忆图形与目标所在的背景图形相同)的反应时均显著短于无效信息条件(记忆图形与目标所在的背景图形不同)。(2)有效信息条件下的额区P2波幅显著大于中性信息条件(记忆图形不出现在搜索序列中);枕区P1、N1波幅和潜伏期在视觉工作记忆内容条件下差异不显著;短ISI条件下,有效信息条件下的枕区P300波幅显著大于无效信息条件;长ISI条件下,有效信息条件的枕区P300波幅显著小于无效信息条件。表明当目标出现在与记忆内容相匹配的客体中时,激活了工作记忆中的客体表征,以自上而下的方式优先捕获注意;同时ISI变化对此过程起着调节作用。视觉工作记忆;信息内容;ISI;自上而下注意控制;事件相关电位B8421引言现实生活中,个体只能有选择地加工有用信息,同时抑制无关信息,这样才能确保认知活动的高效率。在这一过程中,注意控制起着重要的作用。Desimone和Duncan(1995)提出视觉注意的偏向竞争模型(biasedcompetitionmodel)认为,存在两种注意控制方式：(1)自下而上注意控制,主要受刺激性质(如刺激的特异性和凸显性)的影响;(2)自上而下注意控制,主要受目标与期待(当前的目标、对刺激位置和出现时间的期待)的影响(Yantis,2000;Luck&Vecera,2002)。大量行为实验结果表明,自上而下注意控制在注意选择过程中起着重要作用(Soto,Heinke,Humphreys,&Blanco,2005;Soto,Humphreys,&Heinke,2006)。自上而下注意控制的加工机制是通过激活储存在工作记忆中的目标表征或模板来完成的。工作记忆主要参与外界信息的加工、暂时性存储和执行控制等认知过程,注意控制则控制了外界信息进入信息加工系统的通道,二者结合在一起构成了信息加工系统的中心环节。视觉工作记忆主要负责加工视觉信息,例如物体的形状、颜色等,当注意与视觉工作记忆共享某些特征时,视觉工作记忆内容会对注意选择产生一定影响。但是研究者从行为角度对工作记忆能否自动引导注意选择的研究结果不一致。一些研究者(Downing,2000;Oliver,Meijer,&Theeuwes,2006;Sotoetal.,2005;杨海波,尹莎莎,白学军,2010)认为,保持在工作记忆中的目标模板使视野中具有目标特征的刺激自动优先获得注意,结果支持偏向竞争模型。Downing(2000)的研究以人脸图片和几何图形为材料,发现探测刺激出现在1104心理学报43卷线索化面孔位置时的辨别反应时更短,说明与当前工作记忆相匹配的项目会自动优先被选择。Soto等人(2005,2006)以彩色几何图形和线条为材料,发现即使在自下而上的特征信息非常突显的情况下,视觉工作记忆仍会自动引导注意的分配。另一些研究者(Downing&Dodds,2004;Houtkamp&Roelfsema,2006;Woodman&Luck,2007)发现,视觉工作记忆内容引导注意控制的方式并不是偏向竞争模型所说的那样,而是比较灵活,甚至某些情况下并不影响注意选择。Downing和Dodds(2004)以生活中常见的客体图片为材料,要求被试同时记住两个客体,其中一个为搜索目标,另一个是分心刺激。结果发现搜索反应时并没有因为出现与工作记忆内容相匹配的分心刺激而变长。这可能是由于搜索目标的表征与分心刺激的表征是分别储存,从而导致没有发现视觉工作记忆影响视觉搜索中的注意选择。Woodman和Luck(2007)将客体的颜色作为记忆内容,结果发现,与视觉工作记忆内容相匹配的分心物促进了视觉搜索,表明视觉工作记忆并不是自动引导注意去选择与记忆表征相匹配的客体。因为当被试知道工作记忆内容不可能是搜索目标时,记忆模板与目标在工作记忆中分开存储,只有保持在记忆焦点的目标模板才可以引导视觉注意(Oberauer,2002)。由于以往的行为研究对于视觉工作记忆内容是否可以自动引导注意控制这个问题上存在争议,近年来,一些研究者利用ERP技术来探讨视觉工作记忆内容影响自上而下注意控制的时间进程和认知机制。一些研究发现,当探测刺激出现在与记忆内容相匹配的搜索项目所在位置时,后部头皮的Pl和N1波幅较大(Luck,Fan,&Hillyard,1993;Mangun,Hillyard,&Luck,1993;Wijers,Lange,Mulder,G.,&Mulder,L.J.M.,1997;Luck&Hillyard,2000),但是在潜伏期和头皮分布上却没有显著差别(Mangun,1995;DiRusso,Martínez,&Hillyard,2003)。Luck和Hillyard(1995)认为,视觉搜索中的Pl成分反映对非目标位置的抑制,而N1成分则反映了对目标位置的注意。Jha(2002)的研究也发现,在注意条件下,Pl、N1的波幅较大,并且枕颞区域最为明显。这些结果说明先前储存在工作记忆中的位置信息引导了对目标位置的优先注意。但是Kumar,Soto和Humphreys(2009)以彩色几何图形和线条为材料的研究发现,N1和P1的波幅在不同视觉工作记忆条件下没有显著差异,说明储存在视觉工作记忆中的客体表征并没有对目标的早期加工产生影响。Telling,Kumar,Meyer和Humphreys(2010)以熟悉的客体图片为材料,发现分心物存在、目标存在和目标缺失三种条件下的P1和N1均无显著差异,说明目标和分心物的差异不足以影响早期的视觉加工。一些研究显示,位于头前部和中央头皮区域的P2成分在刺激特征中含有目标特征时更大(Luck&Hillyard,1995;Phillips&Takeda,2009)。陈彩琦(2004)的研究发现,头皮前部的P2出现了显著的线索化效应,有效线索条件下的波幅大于无效线索条件,说明任务初期空间线索对记忆项目的知觉选择起促进作用。P2成分反映了对目标本身属性的加工,当先前出现过的项目再次出现时,波幅增大,但是对于此成分与视觉工作记忆内容影响自上而下注意控制的相关研究较少。有研究发现,目标刺激要比非目标刺激产生更大的P300波幅(VanderStelt,Kok,Smulders,Snel,&Gunning,1998),且P300波幅与所投入的心理资源和任务难度成正相关(Kok,2001;Kumaretal.,2009)。当先前记忆的客体作为分心物出现在随后搜索的序列中,P300波幅增大,这是因为在搜索序列中,重复出现的客体与需要反应的目标间出现冲突,使得对目标的选择更加困难。Phillips和Takeda(2009)采用ERP技术探讨了有效和无效条件下视觉工作记忆对视觉搜索的影响,要求被试在搜索序列中寻找与记忆项目相同客体,并对它的位置做出反应。结果发现当与记忆项目有相同特征的分心物出现时,P300的波幅较小。尽管以往研究已经表明视觉工作记忆内容对自上而下注意控制产生影响,但是对于此作用的产生机制却没有一致意见。可能原因在于：(1)对实验材料的控制不够严格,大多数以往研究的视觉记忆项目是客体图片、颜色或几何图形等。一方面,这些项目的某些特征较容易进行语义编码(如红色三角形等),被试可能会对这些项目进行语义编码,从而就不能较好地操作视觉记忆,干扰了实验结果。Soto等人(2006)的实验向被试呈现描述客体颜色和形状的单词(如red、square),要求被试读出词汇并记住,然后完成一个搜索任务。结果发现,当搜索序列中的项目特征与先前记忆词汇所描述的特征相同时,搜索反应时显著变长,表明语音工作记忆表征也能自动引导视觉注意。另一方面,实验材料采用生活中的客体或几何图形,被试对材料熟10期白学军等:视觉工作记忆内容对自上而下注意控制的影响：一项ERP研究1105悉性存在差异,这也可能影响实验结果。(2)记忆项目与搜索序列之间的ISI不同。例如,Soto等人(2006)的研究中,记忆项目与搜索序列之间的ISI只有317ms,Woodman等人(2007)的研究中,两者之间的ISI则是1000ms,而Downing(2000)的研究中,这个值则高达2506ms。记忆项目与搜索序列之间的ISI不同,记忆项目的加工水平不同,时间越长,记忆项目的编码就越精细,这就会影响搜索效率,这一效应在行为反应和ERPs均能体现差异。基于上述的不一致,本研究通过两个方面的操作来进一步探讨视觉工作记忆对自上而下注意控制的影响。第一个操作是控制实验材料的类型,旨在获得较为纯粹的视觉工作记忆,避免其他工作记忆成分(如语音回路)对视觉搜索的干扰。在获得较为纯粹的视觉工作记忆方面,通常的方法有两种：一种是在进行视觉工作记忆任务的同时要求被试完成言语记忆任务,以此防止被试将视觉刺激转换言语编码进行加工和存贮(张豹,金志成,陈彩琦,2008);另一种方式是采用难以用语义进行编码的图形为实验材料,使被试无法对实验材料进行语义水平的加工(Olson,Moore,&Drowos,2008)。相比之下,前一种方法不如后一种方法更直接、更有效。因此,本研究采用第二种方法,即采用二维抽象对称图形,以此排除语义编码对视觉工作记忆任务的干扰。第二个是操作记忆项目的编码水平,具体做法是通过控制记忆项目与搜索序列的ISI来实现。有研究(Luo,Greenwood,&Parasuraman,2001;Simon-Thomas,Brodsky,Willing,Sinha,&Knight,2003)发现枕部脑区与记忆编码有关,而ISI可以影响随后的目标信息的加工。对ISI的操作可以帮助了解不同工作记忆加工时程上视觉工作记忆内容对自上而下注意控制的影响。Ruchkin,Johnson,Grafman,Canoune和Ritter(1997)的研究以人脸为材料,发现记忆项目呈现2000ms后,编码过程基本完成,开始进入保持阶段。但是Ruchkin,Grafman,Cameron和Berndt(2003)的另一项研究发现,视觉空间记忆编码在刺激出现后1500ms左右完成。聂爱情和郭春彦(2005)的研究中使用标准化的客体图片为材料,定义记忆图片的编码时间为1600ms左右,此后开始进入保持阶段。Li,Chan和Luo(2010)的一项研究采用延迟匹配任务,考察负性情绪对工作记忆编码与保持阶段的影响。研究通过记录ERP的时程来区分编码和保持阶段,记忆项目和目标刺激之间的时间间隔设定在了400~600ms随机。从ERP的波形图可以看出,记忆项目呈现后的1100~1600ms之间开始进入保持阶段。从上述研究可以看出,视觉图形在呈现后的1100~2000ms的范围内开始进入保持阶段。其具体的时程会因材料的变化而变化。对于简单记忆图形(几何图形),编码一般在图形呈现后的1500ms左右完成,而对于复杂图形(面孔),编码一般在图形呈现后的2000ms左右完成。本研究材料为二维抽象对称图形,加工难度介于几何图形与面孔之间。故在参考Kumar等人(2009)研究的基础上,本研究采用操作记忆项目与搜索序列之间的IS