心理学报 2016, Vol. 48, No.11, 1379 1389
out of controlActa Psychologica Sinica DOI: 10.3724/SP.J.1041.2016.01379
收稿日期: 2015-12-08
* 国家自然科学基金面上项目(31671134)、国家自然科学基金青年项目(31500883)、教育部人文社会科学研究规划基金项目(13YJA190001)、中国博士后科学基金面上项目(2014M561086)、湖南省自然科学基金面上项目(2015JJ2101)、中国科学院心理健康重点实验室开放课题(KLMH2014K04)、湖南省教育厅科学研究优秀青年项目(15B152)资助。 通讯作者: 钟毅平,E-mail:*****************
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自我旋转面孔识别的ERPs 研究*
钟毅平 李 琎 占友龙 范 伟 杨子鹿
(湖南师范大学教育科学学院心理系, 认知与人类行为湖南省重点实验室, 长沙 410081)
摘 要 本研究采用事件相关电位技术考察平面旋转角度对自我面孔识别影响的时间进程。实验采用面孔
异同匹配范式(same-different judgment), 首先呈现一张正立的自我或他人内特征的探测面孔, 然后再呈现一张旋转至某个角度(0°、90°、180°)的自我或他人的目标面孔, 要求被试判断两张面孔是否属于同一个人, 并记录其判断的反应时和ERP 成分。
实验发现, 在N170 (180~240 ms)和N2 (240~300 ms)成分上, 旋转至90°、180°的面孔刺激比正立条件下的面孔刺激分别在枕颞叶和额区诱发了更大的平均波幅。在LPP (400~500 ms)成分上, 对于自我面孔, 正立条件、旋转至90°、旋转至180°所诱发的波幅差异显著。而对于他人面孔, 3个角度所诱发的波幅无显著差异。结果表明, 面孔识别早期阶段是自动化的结构编码, 旋转角度增加了面孔结构编码的难度; 在面孔识别晚期阶段, 大脑对面孔的特异性信息进行精细加工, 自我面孔会占用个体有限认知资源进行下一步精细的心理旋转加工, 因此平面旋转角度会调节晚期个体对自我面孔的加工过程, 并且其影响时间约为100 ms 。
关键词 平面旋转角度; 自我面孔识别优势; Bruce-Young 面孔识别认知模型; N170; LPP 分类号 B842
1 引言
面孔是生物身体外貌中最显著的特征, 也是一种特殊的视觉刺激, 它能提供丰富的社会信息, 如性别、年龄、种族或情感状态等。面孔识别是人们社会生活的一项基本技能, 它能帮助个体有效区分自我和他人(Sui, Zhu, & Han, 2006; Tsakiris, Costantini, & Haggard, 2008)。研究表明, 个体的面孔识别过程
会受到很多社会认知因素的影响或调节, 例如, 社会威胁信息(Guan et al., 2015)、加工面孔的背景(Ma & Han, 2009) 以及个体的自尊水平(Hu, Liao, Luo, & He, 2013)等。除了这些社会认知因素会影响面孔识别之外, 还有一些研究从初级视知觉角度出发, 发现了平面旋转角度也能够影响人类面孔识别这类认知过程(Valentine & Bruce, 1988)。因此, 这说明心理旋转可能发生在人类认知过程中, 但这一过程仍值得进一步研究。
心理旋转是一种基本认知过程, 它是指一个物体可以在我们的大脑中形成一个表象, 并且个体可以对该表象进行旋转(Shepard & Metzler, 1971)。以往有关心理旋转的实验研究从行为学层面上大多使用一些无社会意义的字母或几何图形等来作为实验材料, 结果发现, 心理旋转的反应时随旋转角度的增大而变长(Shepard & Metzler, 1971)。有研究者用事件相关电位(ERP)手段来研究心理旋转以考察旋转加工在大脑中的时间进程。他们以英语字母(如, R 或F)或者简单几何图形作为旋转对象, 并记录个体执行心理旋转任务时的事件相关电位。结果发现, 心理旋转任务与ERP 之间存在一个电生理指标, 即大脑顶叶在旋转刺激呈现后大约500 ms 时, 会出现一个显著的正成分, 如, P500, 并且随着旋转角度的增大, 其波幅会更趋于负走向, 并且
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construct
其潜伏期会延长, 反映了被试进行了心理旋转(Chen et al., 2014; Hamm, Johnson, & Corballis, 2004;
Muthukumaraswamy, Johnson, & Hamm, 2003; Núñez-Peña & Aznar-Casanova, 2009)。但也有研究表明, 个体在进行心理旋转任务的过程当中, 旋转角度对ERP成分的影响只表现在波幅大小差异上, 即旋转角度越大, P500波幅越趋向负走向, 而在潜伏期上未表现出差异, 其加工时程较为稳定(Beste, Heil, & Konrad, 2010; Heil, 2002)。这些研究均表明, 心理旋转不仅仅体现在个体的行为表现上, 也体现在大脑的反应上。
总结前人文献可以发现, 以往关于心理旋转的研究多以一些无社会意义的字母或几何图形等来作为实验材料, 因此近期有研究者以期拓展相关研究, 开始从社会层面来研究心理旋转, 将承载了大量社会信息的面孔刺激作为心理旋转的研究对象(例如, 陌生人面孔或者电脑合成面孔等), 以探索旋转角度这种初级视知觉信息是否会影响人类面孔识别。回顾前人研究发现, Valentine和Bruce (1988)对传统研究心理旋转的实验范式进行了改进, 为避免同时呈现方式会混淆个体具体加工的是哪一个刺激(将旋转面孔恢复为正立还是将正立面孔进行旋转), 所以采用按顺序呈现刺激的方式, 即采用面孔异同匹配判断任务(same-different judgments)来考察个体识别旋转面孔的认知过程, 要求被试判断先后呈现的两张面孔(第一张为正立呈现, 第二张为旋转至一定角度的面孔)是否为同一个人, 这样加工方式较为稳定, 所得到的反应时就更为准确, 能更好地观察到识别旋转面孔的规律。结果发现面孔识别的速度会受到旋转角度的影响, 即旋转角度越大, 识别第二张旋转面孔的速度就越慢。之后, 该范式也被广泛运用于旋转面孔机制的研究中, 例如, Rossion和Boreman (2008); Liu, Oxner, Hayward和Behrmann (2014)都采用
了此范式研究旋转面孔的认知机制, 结果均发现, 识别面孔的速度随旋转角度的增大而变慢。研究者认为, 该结果可从心理旋转理论来分析, 例如, Rock 从心理旋转理论(Collishaw & Hole, 2002; Rock, 1988)出发, 认为按照心理旋转的过程, 个体对旋转面孔的识别需要一种“正常化”的过程, 即要将旋转面孔旋转至正立(“正常”)再对其进行识别, 因此产生了该现象。这些研究虽然在一定程度上探索了旋转面孔的认知机制, 但都是仅从行为学层面对旋转面孔的认知机制进行的考察。
因此有研究者开始从神经机制层面来探讨旋转角度对面孔识别的影响。例如, Kanwisher和Moscovitch (2000)给被试呈现倒置面孔时发现, 梭状回面孔区域(fusifrom face area. FFA )的信号强度相较正立面孔明显降低, 这表明梭状回面孔区域是面孔结构编码的重要区域。此外, 有研究者以ERP 为技术手段来分析倒置面孔效应与脑电成分之间的关系, 结果发现, 倒置面孔(旋转至180°的面孔)比正立面孔诱发了更大的N170波幅, N170是面孔识别的关键指标, 在面孔和其他物体类别刺激呈现后的130~200 ms 记录到的, 并在160~170 ms 时达到峰值的一种脑电负成分, 其主要分布于大脑颞枕区(occipito-temporal region), 通常在P8(T6) 或者PO8或者O2等电极处的波幅最大, 它与面孔的结构加工有关, 当面孔旋转到180°时, 面孔结构最大程度受到破坏, 从而诱发更大的N170波幅(Anaki, Zion-Golumbic, & Bentin, 2007; Bentin, Allison, Puce, Perez, & McCarthy, 1996; Caharel, Fiori, Bernard, Lalonde, & Rebaï, 2006; De Haan, Pascalis, & Johnson, 2002; Minami, Nakajima, Changvisommid, & Nakauchi, 2015; Sadeh & Yovel, 2010)。
耐火石
由上可知, 心理旋转是基于表象而进行的操作, 个体对实验材料形成了图形的视知觉表象, 而且旋转这个表象直到它与所比较的图形一致为止。心理旋转与真实物体旋转相似, 认知心理学把这种表象称之为“类比表征” (梁建宁, 2003)。这些研究虽然从行为学和神经学层面对旋转面孔的认知机制进行了一定程度的研究, 但也存在一些局限：过去有关旋转面孔神经机制的研究所选用的角度仅有180°, 即比较倒置面孔与正常面孔的差异, 而并未真正从心理旋转的角度研究旋转面孔的神经机制, 尤其是其加工时程和特点是怎样的还不得而知; 此外, 过去研究大多采用陌生他人的面孔作为实验材料, 对识别旋转的自我面孔的研究较少, 而自我面孔识别作为面孔识别中的一个重要内容, 是自我研究领域中成为热点, 因此考察旋转自我面孔的识别对于进一步解读自我面孔识别是有必要的。识别自我面孔的能力是“自我意识”形成的指标(Butler, Mattingley, Cunnington, & Suddendorf, 2012; Platek, Keenan, Gallup, & Mohamed, 2004), 它反映了人们通过自我与他人的区分而识别出自我面孔的认知过程(Northoff et al., 2006)。研究表明, 人们对自我面孔的识别快于对他人面孔的识别, 并且自我面孔会得到个体更精细的加工, 即“自我面孔识别优势”
11期钟毅平等: 自我旋转面孔识别的ERPs研究1381
(Devue & Brédart, 2008, 2011; Sugiura, 2015; 杨红升, 2006; Yun et al., 2014; Zahavi & Roepstorff, 2011; Zhu, Hu, Tang, Luo, & Gao, 2015)。过去有许多关于自我面孔识别的神经机制研究, 例如, Keenan, Nelson, O'Connor和Pascual-Leone (2001)与Devue 等(2007)均运用脑成像技术发现, 在识别
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自我面孔时, 枕颞叶皮层会被激活。尽管这些研究对自我面孔识别的脑区进行了空间定位, 但大脑对其加工的时空特性可能是不一样的, 这是一个值得考察的命题(钟毅平等, 2014)。因此也有大量研究采用事件相关电位技术(ERP)来研究自我面孔识别的时间进程问题。大量ERPs研究都已经发现自我面孔刺激会诱发一些较为稳定的脑电成分。例如, 晚期正成分LPP, 有许多研究证明自我面孔识别与LPP有关, LPP是前中部脑区和顶叶电极的一个晚期正成分, 大概在300 ms左后或之后出现, 持续几百毫秒, 反映大脑对自我面孔更精细的加工(Devue & Brédart, 2011; Yun et al., 2014; Zahavi & Roepstorff, 2011), 它是自我面孔识别优势的关键性指标, 更大波幅的LPP表明个体对自我相关信息的特异性加工, 比如自我面孔比他人面孔能在顶叶位置诱发更大的P3波幅(Guan, Qi, Zhang, & Yang, 2014; Keyes, Brady, Reilly, & Foxe, 2010; Ninomiya, Onitsuka, Chen, Sato, & Tashiro, 1998; Sui et al., 2006; Tacikowski & Nowicka, 2010)。自我面孔识别优势的产生过程可以用Bruce和Young (1986)提出Bruce-Young经典的面孔识别认知模型(functional model for face recognition)进行解释, 该模型认为, 个体在识别面孔时有两个阶段, 首先进入第一阶段, 在该阶段个体会对面孔最基本的结构特征进行编码, 之后进入第二阶段, 该阶段主要负责对面孔的进一步精细加工, 主要是识别面孔身份、个体特征等, 在该阶段则体现“自我面孔识别优势”, 当面孔的身份信息与自我高度相关时, 则会产生显著的“自我参照效应(lf-reference effect)”, 即指当信息与自我概念有关时, 个体会进行快速、精细的加工和更好的记忆(Cunningham, Brebner, Quinn, & Turk, 2014; Kim, 2012; Rogers, Kuiper, & Kirker, 1977), 从而产生自我面孔识别优势。而部分ERP研究结果也证实了该模型, 面孔的熟悉性对早期ERP成分N170没有影响, 而对自我面
孔的加工发生于对面孔结构信息编码之后(汪海玲, 傅世敏, 2011; Bentin & Deouell, 2000; Eimer, 2000; Sui et al., 2006)。
综上所述, 根据心理旋转理论, 旋转角度会影响面孔识别, 并且能够反映在脑电成分上, 而自我面孔识别作为面孔识别的一个重要内容, 拥有其独特性(杨红升, 黄希庭, 2007), 那旋转角度是否会影响个体在自我面孔识别在神经反应中的表现; 此外, 若旋转角度影响自我面孔识别, 它会发生于加工的早期、中期还是晚期阶段？即心理旋转的旋转对象为自我面孔时, 其加工时间进程是怎样的？因此, 本研究以期采用研究旋转面孔的经典范式——面孔异同判断任务, 借助事件相关电位(ERP)技术, 将心理旋转的对象操作为自我面孔与他人面孔, 来深入探讨自我面孔识别是如何受到旋转角度的影响。研究者认为, 探索旋转角度如何影响自我面孔识别在大脑上的时间进程有一定意义, 不仅有助于从内隐层面上揭示旋转角度如何影响自我面孔识别, 而且还能对其神经基础做出重要探索, 以达到从另一个角度来深入解读自我面孔识别的目的。
2 方法
2.1目的与假设
考察旋转角度如何影响自我面孔和他人面孔的识别及其二者在时间进程上有何特点。我们假设, 旋转角度会影响面孔识别, 且这种影响对自我面孔识别更大, 并且发生在面孔识别的晚期阶段。
2.2被试
20名在校大学生和研究生参与了脑电实验, 男生10名, 女生10名, 平均年龄22.5岁, 标准差1.98。被试均为右利手, 身体健康, 无神经系统疾病, 没有脑部损伤史, 视力正常或校正后正常。实验完成后付给一定报酬。
2.3实验材料
poke
“自我面孔识别优势”是“自我参照效应”的一个重要体现, 在实验中为了避免熟悉度对自我面孔识别的干扰, 我们按照研究自我参照加工的方式对熟悉度进行控制(Zhao et al., 2009; 钟毅平等, 2014), 避免其对自我面孔识别产生影响, 采用被试的一般熟人面孔作为他人面孔进行研究, 以缩小自我面孔与他人面孔在熟悉度上的差异, 以排除熟悉度的干扰。
在实验前, 由被试提供一个同一国家且同性别的熟人, 参照Cialdini, Brown, Lewis, Luce和Neuberg (1997)的研究, 熟人指“你不是很了解, 但是你们校园相遇时会停下来并聊几分钟”, 并采用IOS量表(Inclusion of lf, 7点量表) (Aron, Aron, & Smollan, 1992)评估了自己与熟人的亲密程度, 若评价分数为3, 则联系该熟人, 为其拍照, 将其面
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干戈载戢
孔作为该被试的他人面孔刺激。
要求被试和被试熟人根据10个汉语拼音(汉语拼音的5个元音, 5个辅音)进行发音(做出不同嘴型, 防止被试出现练习效应)。照片统一用Photoshop软件进行处理, 均处理为黑白照, 尺寸大小为220× 255像素(pixel), 统一分辨率为72 dpi。所有面孔刺激去除其外特征(头发、脖颈、耳朵)等, 保留面孔内特征(如, 眼睛、鼻子、嘴巴、脸颊等)。最终, 对于每个被试, 我们获得自我和熟人面孔图片各10张, 接着, 我们让被试对自我面孔和熟人面孔的熟悉度在5点量表(1=非常不熟悉, 5=非常熟悉)上进行评定, 发现自我面孔与熟人面孔在熟悉度上无显著差异, t (19) = 1.89, p > 0.05。
然后其每张面孔进行0°、90°、180°的平面旋转, 最终对于每个被试, 我们获得自我和熟人在3个角度的面孔图片各30张, 共60张(见图1)。
图1 3个旋转角度下内特征面孔示例图
2.4实验设计
研究采用2(面孔类型：自我面孔、熟人面孔)×3(旋转角度：0°、90°、180°)的两因素被试内设计。面孔类型和旋转角度为自变量, 正确率、反应时和ERP数据(N170、N2、LPP：300~550 ms的平均波幅)为因变量。
2.5实验程序
首先在屏幕中央先出现300 ms的“十”字注视点, 然后出现500 ms的目标剌激(正立面孔); 接着出现300~500 ms的随机空屏, 再出现1000 ms的探测刺激(旋转面孔); 当探测刺激出现时, 被试要判断探测刺激与目标刺激是否为同一个人, 并且准确快速地用左右手食指进行按键, 若先后出现的面孔身份一致, 则按F键反应, 若面孔身份不一致, 则按J键反应, 并记录正确率与反应时。其中, 一致性判断和不一致性判断的比例为1:1, 左右手按键在被试间平衡; 按键后有1000 ms空屏时间, 随后进入下一个试次, 以此循环(见图2)。
整个实验包括360个试次, 即每个实验条件下60个试次; 分成2个组, 每个组各有180个试次, 各个组之间间隔2 min的休息时间。
2.6脑电记录
使用NeuroScan ERP记录与分析系统, 按国际10-20系统扩展的64导电极帽记录EEG。在线记录时以左侧乳突连线为参考电极, 离线后转为双侧乳突为参考电极, 离线双眼外侧安置电极记录水平眼电(HEOG), 左眼上下安置电极记录垂直眼电(VEOG) 。滤波带通为0.05~40 Hz, 采样频率为500 Hz/导, 头皮阻抗< 5 kΩ。
2.7 ERP数据处理与统计
完成连续记录EEG后, 离线(off-line) 处理数据, 用NeuroScan软件校正VEOG, 并充分排除其它伪迹。对6种面孔刺激(自我面孔旋转至0°、90°、180°; 他人面孔旋转至0°、90°、180°)呈现后的脑电数据进行分析与EEG叠加。波幅大于± 80 μV者视为伪迹而自动剔除。分析时程(epoch) 为刺激后1000 ms, 基线为刺激呈现前200 ms。根据已有研究结果与本研究目的, 我们主要选择以下19个电极点：F1-Fz-F2、FC1-FCz-FC2、C1-Cz-C4、Cp1-Cpz-Cp2、P1-Pz-P2、PO7-P7-PO8-P8, 分析了以下几个成分的平均波幅：N170 (180~240 ms)成分、N2 (240~300 ms)和LPP (300~550 ms)成分。
对面孔刺激诱发的各脑电成分的平均波幅进行“2(面孔类型：自我面孔、熟人面孔)×3(旋转角度：0°、90°、180°)”的两因素重复测量方差分析。所有方差分析的p值均采用Greenhou-Geisr法校正。
图2 实验程序中一个试次的流程图
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3 结果
3.1行为结果
实验后对被试的判断正确率和反应时进行统计。各条件下的判断正确率和反应时见表1。我们分别对各条件下的判断正确率及反应时进行了2(面孔类型：自我, 熟人)×3(旋转角度：0°, 90°, 180°)的两因素重复测量方差分析, 结果发现, 在判断正确率上, 旋转角度的主效应显著, F (2, 38) = 8.19, p < 0.01,ηp² = 0.30。进一步多重比较发现, 被试识别旋转面孔的正确率是随角度的增大而显著降低的, all t (19)> 2.
15, all p < 0.05。其他并没有发现任何显著的主效应或交互作用。在反应时上, 面孔类型的主效应显著, F (1, 19) = 17.47, p < 0.01,ηp² = 0.48, 表明对自我面孔的反应识别(自我面孔 = 609.80 ± 13.97 ms)显著快于对熟人面孔的识别(他人面孔 = 623.67 ± 13.00 ms)。旋转角度的主效应显著, F (2, 38) = 28.67, p < 0.01, ηp² = 0.60; 进一步多重比较发现, 被试识别旋转的面孔的反应时是随角度的增大而显著增加的, all t (19) >2.14, all p < 0.05。面孔类型与旋转角度的交互效应边缘显著, F (2, 38) = 2.71, p = 0.10,ηp² = 0.13。
表 1 各实验条件下被试识别面孔的正确率(%)和反应时(ms) (M ± SE)
面孔类型旋转角度正确率反应时胖人衣服
0° 85.71 ± 3.04 579.41 ± 15.19
90° 83.02 ± 2.61 606.98 ± 14.12 自我
180° 82.52 ± 3.22 643.00 ± 12.58
0° 86.25 ± 2.82 591.02 ± 12.26
90° 83.24 ± 2.83 630.48 ± 14.01 他人
180° 80.81 ± 3.31 649.51 ± 12.73 3.2 ERPs结果perfectman
图3、图4和图5分别显示了3种旋转角度下, 两种面孔刺激在顶叶脑区和枕颞叶电极各自诱发的脑波形图。
恬不知耻3.2.1 N170 (180~240 ms)
在N170的平均波幅上, 重复测量方差分析表明, 旋转角度主效应显著, F (2, 38) = 5.37, p < 0.01, ηp² = 0.22, 事后比较表明, 旋转90° (M = −1.77 ± 0.77 μV)、旋转180° (M = −1.84 ± 0.76 μV) 的面孔刺激比正立条件(M = −0.69± 0.67 μV)的刺激在枕颞叶诱发了更大的N170波幅。其他未发现任何显著的主效应或交互作用。
3.2.2 N2 (240~300 ms)
在N2的平均波幅上，重复测量方差分析表明, 旋转角度主效应显著, F (2, 38) = 7.78, p < 0.01, ηp² = 0.29, 事后比较表明, 旋转90°(M= −2.65 ± 0.70 μV)、旋转180°(M= −1.58 ± 0.77 μV) 的面孔刺激比正立条件(M =−0.88 ± 0.83 μV)的刺激在枕颞叶诱发了更大的N2波幅。其他未发现任何显著的主效应或交互作用。
3.2.3 LPP (300~550 ms)
我们从300 ms开始每隔50 ms一直到550 ms 对ERP的晚期正成分进行了分析。重复测量方差分析表明, 在300~400 ms的晚期正成分上, 未发现任何显著的主效应或交互作用。在400~500 ms平均波幅上, 面孔类型的主效应显著, F (1, 19) = 12.43, p < 0.01, ηp² = 0.40, 自我面孔(M = 6.30± 0.64 μV)比他人面孔(M = 5.34 ± 0.65 μV)在顶叶脑区诱发了更大的波幅; 旋转角度主效应不显著; 面孔类型与旋转角度交互效应显著, F (2, 38) = 4.00, p < 0.05,ηp² = 0.17, 简单效应分析表明, 对于自我
相亲 英语图3 正立条件下两类面孔在P1、PZ、P2、PO7和PO8上诱发的ERPs总平均
