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心理所研究揭示跨通道信号在头动所致闪光滞后效应中的作用
作者: 中国科学院行为科学重点实验室 鲍敏研究组 ║ 日期: 2022/04/20 

  人在生活中既要进行自身的移动,也要判断外界环境中物体的运动,而且这两种过程通常同时出现。一方面,人经常要借助外界输入的视觉运动信息来判断自身运动的状态;另一方面,对于相同的事物,人在自身静止或运动时所观察到的却不尽相同。因此,对前庭运动感觉和视觉运动信息之间相互作用机制的研究就显得格外重要。 

  Nijhawan1992)发现,当一个运动中的物体旁边突然闪现另一个物体时,观察者所看到的闪现物体的位置通常会落后于其实际位置(图1a),这一现象被称为闪光滞后效应(flash-lag effect)。后来,Schlag等(2000)又发现,当参考物体与观察者相对静止、而观察者自身运动时,也会出现类似的现象(图1b),这被称为头动所致的闪光滞后效应。Nijhawan提出,观察者看到运动的物体后,神经系统对视觉信息的传递、加工以及反应指令的下达都需要一定的时间,而在这段时间内物体仍在继续运动。为了补偿这段延迟、从而更准确地估计运动物体的位置,神经系统会沿着物体的运动轨迹预测其位置,使得观察者看到的运动物体位置超前于其实际位置,而闪光刺激并没有运动轨迹,因此不会进行外推,这就是对闪光滞后效应的解释之一——运动外推假说(图1c),后被Schlag等继续拓展:尽管参考物体与观察者是相对静止的,在视网膜上不产生运动轨迹,但以外界环境为参考系时,神经系统可推断出参考物体同样在运动,而这种运动轨迹也同样可以被外推,从而产生了头动所致的闪光滞后效应。 

1a:闪光滞后效应;图1b:头动所致闪光滞后效应;图1c:运动外推假说的基本内容

    

  最近中国科学院行为科学重点实验室的鲍敏研究组与脑与认知科学国家重点实验室蒋毅研究组、张弢研究组合作开展的一系列研究结果证明,该假说并不足以完全解释头动所致闪光滞后效应的产生机制。 

  研究者自行设计和组装了一套基于虚拟现实的显示设备,由头戴式显示器及运动传感器组成(图2a),可以在观察者转动头部的同时始终将视觉刺激呈现在其正前方,并实时采集观察者的运动数据,根据观看者的运动状态操控视觉刺激。为了探究头动时产生的前庭信号对这种闪光滞后效应的作用,实验1中,研究者首先让被试分别进行仅头部转动、仅躯干转动、全身被动转动三种条件的运动,看能否诱发被试的头动所致闪光滞后效应。结果发现,头部转动和全身被动转动都可以诱发明显的头动所致闪光滞后效应,而仅由躯干转动则不行。这证明前庭运动信息是引发头动所致闪光滞后效应的关键因素,而肢体动觉(kinesthetic)信息的作用则相对次要,也与被试运动的主动性无关。 

2a:实验设备;图2b:实验1头动(HM)条件流程:视野中心为静止的参考刺激,被试头部转动过程中视野上方呈现1帧闪光刺激,被试判断闪光刺激位于参考刺激左侧还是右侧;图2c:实验2头动-视觉运动(HMRM)条件流程:被试头部转动时,参考刺激与头动等速反向运动,过程中视野上方呈现1帧闪光刺激,被试判断闪光刺激位于参考刺激左侧还是右侧;图2d:各实验结果

    

  实验2中,研究者使视觉刺激在被试自身转动时与之等速反向运动,以模拟日常生活中的一种常见情形,即观察者面对外界静止物体做自身运动。此时该参照物体在世界参照系上虽没有实际运动,但在视网膜参照系上却会在观察者的视网膜上留下与观察者反向的运动轨迹。一方面,根据Nijhawan1992)提出的运动外推假说,如果参照物体在视网膜上的“运动”得到外推,那么闪光滞后效应会表现为观察者看到的闪光刺激在视网膜参照系上落后于参照物体;另一方面,由于参照物体在外部世界中并未实际运动,那么根据Schlag等(2000)拓展的运动外推假说,也就不会有任何运动得到外推,从而不会产生头动所致闪光滞后效应。然而实验结果却显示,观察者所看到的闪光刺激甚至在视网膜参照系上超过了“运动”的参照物体。 

  实验3中,研究者进一步在被试左右转动头部时向其呈现上下运动的光栅,训练被试将水平方向的头动与竖直方向的视觉运动关联起来,然后测量被试的水平头动是否能产生竖直方向上的闪光滞后效应。结果显示,仅仅1分钟的关联训练,就足以让被试在水平转动头部时产生竖直方向的闪光滞后效应。这两个实验的结果都是运动外推假说所无法解释的。 

  研究者沿用他们在此前关于视觉运动后效的研究(Bai et al., 2020)中提出的“跨通道偏差(cross-modal bias)”假说来解释本研究的结果。日常生活中,观察者自身的运动通常会带来反向的视觉运动,即外界物体在视网膜上留下反向的运动轨迹,正如乘车向前移动时会看到周围的景物在后退,此时表征头部运动方向的前庭觉神经元就会与表征相反视觉运动方向的视觉神经元共同活动。在漫长的成长发育过程中,这种感觉经验的日积月累逐渐在两种感觉通道的神经元间建立了关联,并且不断强化,从而使表征一种感觉运动信息的神经元活动时,方向相应的另一个感觉通道的神经元也会受到影响而产生相应的活动,这就是跨通道偏差信号。当视觉输入的运动信号较弱或确度较低时,比如视觉运动后效以及短暂的闪光,这种偏差信号就会明显表现出对视觉运动信息加工的调制,从而对速度或位置知觉造成影响。 

  本研究厘清了前庭信号的加工在头动所致闪光滞后效应中的关键作用,也显示了传统的运动外推假说的局限,进一步支持“跨通道偏差”假说,为前庭感觉-视觉的交互等跨通道交互作用提供了新的研究思路。 

  该研究成果已在线发表于Psychological Research,文章的第一作者为何鑫博士。 

    

  相关论文信息: 

  He, X., Bai, J., Jiang, Y., Zhang, T., & Bao, M.* (2022). Beyond motion extrapolation: vestibular contribution to head-rotation-induced flash-lag effects. Psychological Research, online ahead of print. http://doi.org/10.1007/s00426-021-01638-8.  

    

  已发表的相关前期工作: 

  Bai, J.#, He, X.#, Jiang, Y., Zhang, T., & Bao, M.* (2020). Rotating one’s head modulates the perceived velocity of motion aftereffect. Multisensory Research, 33(2), 189-212. https://doi.org/10.1163/22134808-20191477. 

  Bai, J., Bao, M.*, Zhang, T., & Jiang, Y. (2019). A virtual reality approach identifies flexible inhibition of motion aftereffects induced by head rotation. Behavior Research Methods, 51(1), 96-107. https://doi.org/10.3758/s13428-018-1116-6. 

    

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