拓撲性質(zhì)對視覺新異刺激時距知覺的影響*

李寶林 陳有國 袁祥勇 Todd Jackson 黃希庭

(認知與人格教育部重點實驗室(西南大學(xué));西南大學(xué)心理學(xué)部,重慶 400715)

1 引言

時距知覺與我們的生活息息相關(guān),從聽覺信息的理解到運動技能的控制都離不開對時距信息的加工。盡管準確地知覺時距對個體的生存具有重要意義,然而大量研究表明個體知覺到的時距不僅取決于事物客觀的時距信息,而且還會受到刺激的量值(Xuan,Zhang,He,&Chen,2007)、運動信息(Brown,1995;Wang &Jiang,2012)、空間頻率(Aaen-Stockdale,Hotchkiss,Heron,&Whitaker,2011)等因素的影響。這表明大腦對事物某些非時間信息的加工會影響時距信息的加工。

時距知覺扭曲現(xiàn)象反映了人們的時距知覺具有相當(dāng)強的可塑性。當(dāng)不被預(yù)期的新異刺激出現(xiàn)在重復(fù)的標準刺激序列中時,相比標準刺激它的呈現(xiàn)時間往往會被高估,比如在重復(fù)出現(xiàn)的紅色圓盤中突然插入一個同樣大小的黑色圓盤,要求被試比較它們呈現(xiàn)時間的長短,在等時距呈現(xiàn)的條件下被試會傾向于判斷黑色圓盤的呈現(xiàn)時間更長(Tse,Intriligator,Rivest,&Cavanagh,2004)。這種現(xiàn)象被稱為時距知覺中的新異刺激效應(yīng)(oddball effect)(Schindel,Rowlands,&Arnold,2011)。近年來這種現(xiàn)象得到了廣泛的關(guān)注。Tse等人(2004)發(fā)現(xiàn)當(dāng)標準刺激與新異刺激間的差異為顏色、形狀、大小和動態(tài)性等特征時,被試均會傾向于高估新異刺激的呈現(xiàn)時間。后續(xù)的研究也發(fā)現(xiàn)通過改變標準刺激的朝向、明度和運動方向等特征來定義新異刺激也會引起被試對新異刺激呈現(xiàn)時間的高估(Sadeghi,Pariyadath,Apte,Eagleman,&Cook,2011;Schindel et al.,2011)。然而,通過對比可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)標準刺激與新異刺激間的差異不同,被試對新異刺激呈現(xiàn)時間的高估量也不相同,如已有研究發(fā)現(xiàn)隨著標準刺激與新異刺激間朝向差異的增大,被試對新異刺激呈現(xiàn)時間的高估量也隨之增加(Pariyadath &Eagleman,2012;Schindel et al.,2011)。此外,Aaen-Stockdale等人(2011)也發(fā)現(xiàn)當(dāng)標準刺激與新異刺激間僅存在空間頻率的差異時,沒有出現(xiàn)新異刺激效應(yīng)。這些都說明新異刺激的新異程度是影響新異刺激效應(yīng)大小的重要因素。

拓撲性質(zhì)是指在拓撲變換(如拉伸、扭曲、擠壓等)下圖形保持不變的性質(zhì)和關(guān)系,如連通性、內(nèi)外關(guān)系、洞的個數(shù)等。例如,當(dāng)一個正方形變成圓形時,其連通性等拓撲性質(zhì)保持不變,因此正方形和圓形是拓撲等價圖形;然而當(dāng)正方形變成圓環(huán)時,一個有洞一個沒洞,洞的個數(shù)是一種典型的拓撲性質(zhì),因此正方形和圓環(huán)存在拓撲性質(zhì)的差異。研究發(fā)現(xiàn)個體的視知覺對拓撲性質(zhì)的差異更為敏感(Chen,1982)。對似動現(xiàn)象(Chen,1985)、錯覺關(guān)聯(lián)效應(yīng)(Chen &Zhou,1997)、構(gòu)形優(yōu)勢效應(yīng)(Todd,Chen,&Norman,1998)和掩蔽啟動現(xiàn)象(Huang,Zhou,&Chen,2011)等的研究也都表明對拓撲性質(zhì)的檢測在視知覺過程中有著重要意義。這一觀點也得到了種系發(fā)生學(xué)(Chen,Zhang,&Srinivasan,2003;朱靜,郭興焱,馬園,任菲,2010)、發(fā)展心理學(xué)(Chien et al.,2012)和認知神經(jīng)科學(xué)(Zhuo et al.,2003)研究的支持。此外,安蓉、陰國恩和鄭金香(2004)發(fā)現(xiàn)在限時呈現(xiàn)條件下被試傾向于按拓撲特征對圖形進行分類,這說明拓撲性質(zhì)對其他心理加工過程也有著重要的影響。時距知覺是個體具有的一種基本能力,易受到各種因素的影響而發(fā)生扭曲(黃希庭,李伯約,張志杰,2003)。雖然拓撲性質(zhì)是事物所具有的一種重要性質(zhì),對視知覺過程有著重要作用,但是卻鮮有人關(guān)注其對視時距知覺的影響。目前有研究通過對運動誘發(fā)視盲(motioninduced blindness,MIB)現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)兩個圖形是連通的,或位于同一洞中,或具有相同的洞的個數(shù)時,它們更傾向于整體共同消失或重現(xiàn),且共同消失的時間更長(左真濤,羅歡,周可,2013)。這一現(xiàn)象暗示拓撲性質(zhì)可能的確能夠影響個體對刺激時距信息的加工,但是其仍尚未明確揭示拓撲性質(zhì)對視時距知覺的影響。

拓撲性質(zhì)知覺理論認為,知覺物體的核心內(nèi)涵(即在形狀變換中保持不變的整體不變性質(zhì))可以定義為大范圍拓撲不變性質(zhì),因此圖形拓撲性質(zhì)的改變(如一個實心的圓盤變成空心的圓環(huán))將被視覺系統(tǒng)知覺為新的知覺物體的產(chǎn)生(Chen,2005;Zhou,Luo,Zhou,Zhuo,&Chen,2010)。據(jù)此,可以推測當(dāng)一個圖形突然發(fā)生了拓撲性質(zhì)的變化,將在更大程度上破壞原有圖形的一致性,從而使新圖形具有更大程度的新異性。因此,結(jié)合時距知覺中的新異刺激效應(yīng),可以預(yù)測相比拓撲等價條件,當(dāng)標準刺激與新異刺激間存在拓撲性質(zhì)差異時,被試會更傾向于高估新異刺激的呈現(xiàn)時間。

本研究結(jié)合一種時距扭曲現(xiàn)象——時距知覺中的新異刺激效應(yīng)——來探討拓撲性質(zhì)對視覺新異刺激時距知覺的影響。實驗采用新異刺激范式,要求被試比較新異刺激與標準刺激呈現(xiàn)時間的長短。實驗1考察了當(dāng)標準刺激與新異刺激間存在拓撲性質(zhì)差異和非拓撲性質(zhì)差異時,被試對新異刺激呈現(xiàn)時間的高估情況。另外,根據(jù)物體形狀在不同變換中保持的不變特征,德國數(shù)學(xué)家克萊因于1872年提出了愛爾浪根綱領(lǐng)(Erlanger Program)。根據(jù)這一綱領(lǐng),各種形狀性質(zhì)可以由不同層次的幾何學(xué),即歐幾里得幾何學(xué)、仿射幾何學(xué)、射影幾何學(xué)和拓撲學(xué)來加以描述,幾何學(xué)性質(zhì)中最為穩(wěn)定的是拓撲性質(zhì)(如洞的個數(shù)),接著依次是射影性質(zhì)(如共線性)、仿射性質(zhì)(如平行性)和歐氏性質(zhì)(如方向性 )(Chen,2005;朱瀅,2005)。拓撲性質(zhì)知覺理論認為視覺系統(tǒng)的形狀知覺存在一個功能層次,其類似于克萊因的愛爾浪根綱領(lǐng)按不變性對幾何學(xué)的分類,即各個層次的幾何不變性質(zhì)是形狀知覺的主要元素。因此,實驗2系統(tǒng)考察并比較了不同層次的幾何不變性質(zhì)對新異刺激時距知覺的影響。

2 實驗1 洞的個數(shù)對視覺新異刺激時距知覺的影響

洞的個數(shù)是一種典型的拓撲性質(zhì)。實驗1通過兩個實驗考察了當(dāng)標準刺激和新異刺激間存在洞的個數(shù)這種拓撲性質(zhì)差異和輪廓形狀這種非拓撲性質(zhì)差異時,被試對新異刺激時距知覺的差異。

2.1 實驗1a

2.1.1 方法

2.1.1.2 被試

18名非心理學(xué)專業(yè)在校本科生和研究生自愿參加并順利完成實驗,其中男7名,女11名,年齡18～25歲(平均年齡 21.94±1.55歲)。除一名被試為左利手外,其他均為右利手,視力或矯正視力正常。實驗后給予適當(dāng)報酬。

2.1.1.2 刺激和儀器

采用CoreDRAW12繪制白色(RGB:255,255,255)單孔正方形(正方形邊長 2.66°,單孔直徑1.5°)、雙孔正方形(正方形邊長 2.66°,每個內(nèi)孔直徑 1.06°,水平兩孔間距 0.3°)、單孔圓環(huán)(外直徑 3°、內(nèi)直徑 1.5°)和雙孔圓環(huán)(外直徑 3°,每個內(nèi)孔直徑1.06°,水平兩孔間距0.3°),它們的面積相等;采用E-prime 1.1編制程序;用電腦呈現(xiàn)刺激和記錄反應(yīng),視覺刺激呈現(xiàn)在17英寸CRT彩色顯示器中央,屏幕分辨率為1024×768,背景為灰色(RGB:100,100,100),刷新頻率為 85 Hz;被試距離計算機屏幕約57 cm。

2.1.1.3 設(shè)計

采用2(標準刺激類型：單孔正方形和雙孔正方形) × 2(差異類型：拓撲性質(zhì)差異和非拓撲性質(zhì)差異)的被試內(nèi)設(shè)計。因變量為被試判斷新異刺激的呈現(xiàn)時間比標準刺激的呈現(xiàn)時間“長”的比率。

標準刺激類型指實驗中重復(fù)出現(xiàn)的標準刺激的類型;差異類型指標準刺激與新異刺激間的差異類型：當(dāng)標準刺激為單孔正方形,新異刺激為單孔圓環(huán)時,標準刺激與新異刺激間為非拓撲性質(zhì)差異,而當(dāng)標準刺激為單孔正方形,新異刺激為雙孔圓環(huán)時,標準刺激與新異刺激間為拓撲性質(zhì)差異;同樣當(dāng)標準刺激為雙孔正方形,新異刺激為單孔圓環(huán)時,標準刺激與新異刺激間為拓撲性質(zhì)差異,而當(dāng)標準刺激為雙孔正方形,新異刺激為雙孔圓環(huán)時,標準刺激與新異刺激間為非拓撲性質(zhì)差異。

2.1.1.4 程序

正式實驗前對被試進行適當(dāng)練習(xí),使其熟悉實驗程序與任務(wù)操作,練習(xí)程序同正式實驗程序。正式實驗的流程如圖1所示,首先向被試呈現(xiàn)一定數(shù)目(3～10個)的標準刺激,每個標準刺激的呈現(xiàn)時間為 500 ms (標準時距),標準刺激間的時間間隔為300 ms,間隔 300 ms之后隨機呈現(xiàn)新異刺激之一作為比較刺激,呈現(xiàn)時間為350、400、450、500、550、600或650 ms (比較時距)。然后呈現(xiàn)空屏,要求被試比較標準刺激與新異刺激的呈現(xiàn)時間,并通過按鍵進行反應(yīng)。為了平衡被試的按鍵反應(yīng),要求一半被試在認為新異刺激的呈現(xiàn)時間長時按“F”鍵,反之按“J”鍵;另一半被試的按鍵要求與此相反。最后間隔1000 ms后開始下一個試次(trial)。實驗在暗室中進行。

整個實驗共分為兩組,每組中只包含一種標準刺激,但包含兩種新異刺激,所以每組中的差異類型都可分為拓撲性質(zhì)差異和非拓撲性質(zhì)差異。被試完成兩組的順序是隨機的。實驗中每種條件的7個比較時距都呈現(xiàn) 12次,因此整個實驗共有 4×7×12(336)個試次,被試每完成 84個試次后休息一次,故整個實驗期間可以休息3次,除第二次休息時間由主試規(guī)定外(為了減小前一組實驗對后一組實驗的可能影響,要求被試最少休息5 min),其他的休息時間由被試自己控制。整個正式實驗約45 min。

圖1 實驗1a流程示意圖。首先向被試隨機呈現(xiàn)3～10個標準刺激(標準刺激有兩類：單孔正方形和雙孔正方形),當(dāng)前為單孔正方形;接著呈現(xiàn)一個新異刺激(新異刺激也有兩類：單孔圓環(huán)和雙孔圓環(huán)),當(dāng)前為單孔圓環(huán);最后要求被試比較新異刺激和標準刺激的呈現(xiàn)時間。標準刺激的呈現(xiàn)時間為 500 ms,新異刺激的呈現(xiàn)時間為 7個比較時距(350～650 ms)中的任意一個,刺激間間隔300 ms。

2.1.2 結(jié)果與分析

對所有被試的數(shù)據(jù)使用SigmaPlot 12.0和SPSS 13.0進行數(shù)據(jù)分析。以比較時距為橫坐標,被試判斷新異刺激呈現(xiàn)時間長于標準刺激呈現(xiàn)時間的比率為縱坐標,將每名被試在每種條件下的數(shù)據(jù)擬合成一條Sigmoid曲線(f=1/(1+exp (-(x-x0)/b))),求得每名被試在每種條件下的主觀相等點(point of subjective equality,PSE,即被試判斷長的比率為50%的點所對應(yīng)的時距 ),見圖2。同時,為了便于比較,參照以往研究(Tse et al.,2004)將主觀相等點轉(zhuǎn)換成時間膨脹系數(shù)(temporal expansion factor),計算公式為：時間膨脹系數(shù)=標準時距/PSE,其值大于1表示相比標準刺激被試高估了新異刺激的呈現(xiàn)時間,小于1則表示相比標準刺激被試低估了新異刺激的呈現(xiàn)時間,值越大表示被試對新異刺激呈現(xiàn)時間的估計越長。

圖2 一名被試(LXF)分別在一種條件的7個比較時距上判斷新異刺激呈現(xiàn)時間長于標準刺激呈現(xiàn)時間的比率及其擬合的 Sigmoid曲線。圖中水平虛線為被試判斷新異刺激呈現(xiàn)時間長于標準刺激呈現(xiàn)時間的比率為 50%,其與Sigmoid曲線的交點所對應(yīng)的時距即為被試的 PSE。

根據(jù)心理測量函數(shù)求得被試在各種條件下的PSE,進而求得所有被試在每種條件下的平均時間膨脹系數(shù)(如圖3)。

對時間膨脹系數(shù)進行統(tǒng)計分析。首先,單樣本

t

檢驗發(fā)現(xiàn),僅當(dāng)標準刺激為雙孔正方形且新異刺激為單孔圓環(huán)時,時間膨脹系數(shù)顯著大于1,

t

(17)=3.90,

p

=0.001,表明在這種條件下出現(xiàn)了顯著的新異刺激效應(yīng)。其次,2(標準刺激類型：單孔正方形和雙孔正方形) × 2(差異類型：拓撲性質(zhì)差異和非拓撲性質(zhì)差異)的重復(fù)測量方差分析發(fā)現(xiàn),標準刺激類型的主效應(yīng)顯著,

F

(1,17)=4.90,

p

<0.05;差異類型的主效應(yīng)顯著,

F

(1,17)=25.52,

p

<0.001;標準刺激類型和差異類型的交互作用不顯著,

F

(1,17)=2.32,

p

>0.05,表明標準刺激類型和標準刺激與新異刺激間的差異類型對新異刺激時距知覺都有顯著影響。分別對兩種標準刺激條件下拓撲性質(zhì)差異和非拓撲性質(zhì)差異時的時間膨脹系數(shù)進行配對樣本

t

檢驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)標準刺激為單孔正方形時,拓撲性質(zhì)差異條件下的時間膨脹系數(shù)(1.0179)顯著大于非拓撲性質(zhì)差異條件下的時間膨脹系數(shù)(0.9880),

t

(17)=2.41,

p

<0.05;當(dāng)標準刺激為雙孔正方形時,拓撲性質(zhì)差異條件下的時間膨脹系數(shù)(1.0768)也顯著大于非拓撲性質(zhì)差異條件下的時間膨脹系數(shù)(1.0139),

t

(17)=3.97,

p

=0.001。這表明無論標準刺激為何種類型,拓撲性質(zhì)差異條件下的時間膨脹系數(shù)都要顯著大于非拓撲性質(zhì)差異條件下的時間膨脹系數(shù),即說明在拓撲性質(zhì)差異條件下,被試更傾向于高估新異刺激的呈現(xiàn)時間。

圖3 實驗1a中不同條件下的平均時間膨脹系數(shù)(M±SE)

2.2 實驗1b

2.2.1 方法

2.2.1.1 被試

14名非心理學(xué)專業(yè)在校本科生和研究生自愿參加并順利完成實驗,其中男 7名,女 7名,年齡20～23歲(平均年齡21.5±1.02歲)。所有被試均為右利手,視力或矯正視力正常。實驗后給予適當(dāng)報酬。

2.2.1.2 刺激和儀器

采用CoreDRAW12繪制白色(RGB:255,255,255)單孔正方形、雙孔正方形、雙孔圓環(huán)(同實驗1a)和三孔正方形(正方形邊長2.66°,每個內(nèi)孔直徑為0.87°,三孔圓心間的間距分別為1.24°、1.24°和1.37°),它們面積相等;其他同實驗1a。

2.2.1.3 設(shè)計

采用單因素被試內(nèi)設(shè)計。自變量為新異刺激的類型,有三個水平,即單孔正方形、三孔正方形和雙孔圓環(huán)。因變量同實驗1a。

由于標準刺激為雙孔正方形,因此當(dāng)新異刺激為單孔正方形和三孔正方形時,標準刺激與新異刺激間為拓撲性質(zhì)差異;而當(dāng)新異刺激為雙孔圓環(huán)時,標準刺激與新異刺激間為非拓撲性質(zhì)差異。

2.2.1.4 程序

實驗中每種條件的7個比較時距都呈現(xiàn)12次,因此整個實驗共有3×7×12 (252)個試次,被試每完成 63個試次后休息一次,故整個實驗期間可以休息3次,休息時間由被試自己控制。整個正式實驗約30 min。其他同實驗1a。

由于工期緊、工作量大，作業(yè)人員難免會輸錯身份證號。經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，身份證號的長度、數(shù)字寫錯的情況普遍存在。身份證號檢測功能可以快速的完成對身份證號的檢測，并把身份證號錯誤的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel表格式。

2.2.2 結(jié)果與分析

同實驗 1a,根據(jù)心理測量函數(shù)求得被試在各種條件下的PSE,進而求得所有被試在每種條件下的平均時間膨脹系數(shù)(如圖4)。

對時間膨脹系數(shù)進行統(tǒng)計分析。首先,單樣本

t

檢驗發(fā)現(xiàn),僅當(dāng)新異刺激為單孔正方形時,時間膨脹系數(shù)顯著大于1,

t

(13)=3.21,

p

<0.01。其次,單因素重復(fù)測量的方差分析發(fā)現(xiàn),新異刺激類型的主效應(yīng)顯著,

F

(1.28,16.70)=6.94,

p

<0.05。事后比較顯示,當(dāng)新異刺激為單孔正方形時的時間膨脹系數(shù)(1.0466)顯著大于新異刺激為雙孔圓環(huán)時的時間膨脹系數(shù)(0.97),

p

<0.01,且與新異刺激為三孔正方形時的時間膨脹系數(shù)(1.0362)沒有顯著差異,

p

>0.05;另外當(dāng)新異刺激為三孔正方形時的時間膨脹系數(shù)也顯著大于新異刺激為雙孔圓環(huán)時的時間膨脹系數(shù),

p

<0.05。同實驗1a,這一結(jié)果說明在拓撲性質(zhì)差異條件下,被試更傾向于高估新異刺激的呈現(xiàn)時間。

圖4 實驗1b中不同條件下的平均時間膨脹系數(shù)(M±SE)

2.3 討論

時距知覺受到刺激自身特征(如,大小、多少等)的影響(Xuan et al.,2007)。為了平衡拓撲差異條件和非拓撲差異條件下新異刺激自身特征對時距知覺的影響,實驗 1a在兩種差異條件下采用面積相等和輪廓形狀相同的新異刺激(單孔圓環(huán)和雙孔圓環(huán)),結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同的標準刺激條件下,當(dāng)標準刺激與新異刺激間的差異為拓撲性質(zhì)時被試對新異刺激呈現(xiàn)時間的高估要顯著大于非拓撲性質(zhì)差異條件。然而,在實驗 1a的拓撲性質(zhì)差異條件中,標準刺激與新異刺激間不但存在洞的個數(shù)這種拓撲性質(zhì)差異,而且也存在輪廓形狀差異;而非拓撲性質(zhì)差異條件中標準刺激與新異刺激間僅存在輪廓形狀差異。這種差異數(shù)量的不對等性在一定程度上影響了對實驗結(jié)果的解釋。因此,實驗1b進一步采用面積相等的三種新異刺激,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同的標準刺激條件下,當(dāng)標準刺激與新異刺激間的差異僅為拓撲性質(zhì)差異(即洞的個數(shù)差異)時被試對新異刺激呈現(xiàn)時間的高估仍顯著大于非拓撲性質(zhì)差異(即輪廓形狀差異)條件。綜合實驗1的兩個實驗,可以得出相對于非拓撲性質(zhì)差異條件,拓撲性質(zhì)差異條件下被試更傾向于高估新異刺激的呈現(xiàn)時間。

3 實驗2 不同層次的幾何不變性質(zhì)對視覺新異刺激時距知覺的影響

根據(jù)拓撲性質(zhì)知覺理論,形狀知覺有一個功能層次,其劃分類似于克萊因的愛爾浪根綱領(lǐng)按不變性對幾何學(xué)的分類。實驗2系統(tǒng)探討了不同層次的幾何不變性質(zhì)對新異刺激時距知覺的影響。

3.1 方法

3.1.1 被試

40名在校非心理學(xué)專業(yè)本科生和研究生自愿參加并順利完成實驗,其中男 15名,女 25名,年齡20～27歲(平均年齡22.6±1.43歲)。所有被試均為右利手,聽力和視力或矯正視力正常。實驗后給予適當(dāng)報酬。

3.1.2 刺激和儀器

采用CoreDRAW12繪制白色(RGB:255,255,255)正方形(邊長 2.66°)、平行四邊形(上下邊長和高都為 2.66°)、等腰梯形(上底 1.99°、下底 3.32°、高2.66°)、圓形(直徑 3°)和單孔圓環(huán)(同實驗 1);采用Adobe Audition生成一個1000 Hz的正弦音;聽覺刺激用耳機呈現(xiàn),其他同實驗1。

3.1.3 設(shè)計

采用 2(標準刺激類型：正方形和聽覺刺激) ×4(新異刺激類型：平行四邊形、梯形、圓形和單孔圓環(huán))的混合設(shè)計。其中標準刺激類型為被試間變量;新異刺激類型為被試內(nèi)變量。因變量同實驗1。

3.1.4 程序

整個實驗共分為兩組,每組中只包含一種標準刺激,但包含四種新異刺激。被試為人數(shù)相等的兩組(每組20名),每組被試只參加一組實驗。實驗中每種條件的7個比較時距都呈現(xiàn)12次,因此每組實驗共有4×7×12 (336)個試次,被試每完成84個試次后休息一次,故整組實驗期間可以休息 3次,休息時間由被試自己控制。整組正式實驗約40 min。其他同實驗1。

3.2 結(jié)果與分析

同實驗 1,根據(jù)心理測量函數(shù)求得被試在各種條件下的PSE,進而求得所有被試在每種條件下的平均時間膨脹系數(shù)(如圖5)。

對時間膨脹系數(shù)進行統(tǒng)計分析。首先,單樣本

t

檢驗發(fā)現(xiàn),僅當(dāng)標準刺激為正方形且新異刺激為單孔圓環(huán)時,時間膨脹系數(shù)顯著大于1,

t

(19)=2.88,

p

=0.01。其次,兩因素混合設(shè)計的重復(fù)測量方差分析發(fā)現(xiàn),標準刺激類型的主效應(yīng)不顯著,

F

(1,38)=0.99,

p

>0.05;新異刺激類型的主效應(yīng)顯著,

F

(3,114)=5.90,

p

=0.001;交互作用顯著,

F

(3,114)=5.01,

p

<0.01。進一步的簡單效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)標準刺激為聽覺刺激時,新異刺激類型的簡單效應(yīng)不顯著,

F

(3,114)=2.18,

p

>0.05;當(dāng)標準刺激為正方形時,新異刺激類型的簡單效應(yīng)顯著,

F

(3,114)=8.74,

p

<0.001,拓撲性質(zhì)差異條件下的時間膨脹系數(shù)(1.065)顯著大于歐氏性質(zhì)差異條件(0.9984,

p

<0.001)、仿射性質(zhì)差異條件(1.0183,

p

<0.01)和射影性質(zhì)差異條件(1.0282,

p

<0.01)下的時間膨脹系數(shù),且時間膨脹系數(shù)隨著刺激間形狀差異性質(zhì)的穩(wěn)定性的提高而增大,呈一種顯著的線性趨勢,

F

(1,19)=20.48,

p

<0.001。這些說明標準刺激與新異刺激間的幾何性質(zhì)差異顯著影響對新異刺激的時距知覺;相比其他幾何性質(zhì),拓撲性質(zhì)對新異刺激時距知覺的影響最大,即在拓撲性質(zhì)差異條件下被試更傾向于高估新異刺激的呈現(xiàn)時間,且這一結(jié)果不是由新異刺激自身特征造成的。

圖5 實驗2中不同條件下的平均時間膨脹系數(shù)(M±SE)

3.3 討論

實驗2的結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)標準刺激與新異刺激間的差異分別為歐氏性質(zhì)、仿射性質(zhì)、射影性質(zhì)和拓撲性質(zhì)時,被試對新異刺激呈現(xiàn)時間的高估量依次遞增,且拓撲性質(zhì)差異條件下的時間膨脹系數(shù)顯著大于其他三種條件下的時間膨脹系數(shù)。這再次驗證了實驗1的結(jié)論,即在拓撲性質(zhì)差異條件下被試更傾向于高估新異刺激的呈現(xiàn)時間。那么這一結(jié)果是否由新異刺激自身特征引起呢？實驗 2也發(fā)現(xiàn)當(dāng)標準刺激為聽覺刺激,新異刺激不變時,被試對新異刺激的時距知覺并沒有顯著差異。這進一步說明了不同層次的幾何不變性質(zhì)對新異刺激時距知覺的影響。

4 總的討論

采用新異刺激范式,結(jié)合時距知覺中的新異刺激效應(yīng),本研究探討了拓撲性質(zhì)對視覺新異刺激時距知覺的影響。實驗1發(fā)現(xiàn)當(dāng)標準刺激與新異刺激間存在拓撲性質(zhì)的差異時,被試更傾向于高估新異刺激的呈現(xiàn)時間;實驗2比較了不同層次的幾何不變性質(zhì)對新異刺激時距知覺的影響,發(fā)現(xiàn)隨著標準刺激與新異刺激間差異性質(zhì)穩(wěn)定性的增加,被試對新異刺激呈現(xiàn)時間的高估量也逐漸增大,相比其他幾何性質(zhì),拓撲性質(zhì)是一種最穩(wěn)定的性質(zhì),其對新異刺激時距知覺的影響最大,且這一結(jié)果并不是由于新異刺激自身的特征造成的。綜合兩個實驗表明,拓撲性質(zhì)對視覺新異刺激的時距知覺具有重要影響,這種影響源自于標準刺激與新異刺激間的差異。

本研究發(fā)現(xiàn)標準刺激與新異刺激間的差異會影響被試對新異刺激的時距知覺,這與以往研究結(jié)果一致(Pariyadath &Eagleman,2012;Schindel et al.,2011)。標準刺激與新異刺激間的差異可以從知覺物體的角度解釋。Chen (2005)認為知覺物體可以定義為拓撲變換中的不變性。已有研究發(fā)現(xiàn)相對于非拓撲性質(zhì)(如,輪廓形狀和顏色等),只有拓撲性質(zhì)的變化才能顯著地破壞多物體跟蹤的成績(Zhou et al.,2010)。這說明拓撲性質(zhì)的改變的確可以破壞對象“足夠平滑的轉(zhuǎn)換”,從而產(chǎn)生“新刺激” (陳霖,2008)。本研究發(fā)現(xiàn)相對于其他幾何性質(zhì),被試會在拓撲性質(zhì)改變的條件下更大程度地高估新異刺激的呈現(xiàn)時間。這一結(jié)果一方面表明拓撲性質(zhì)能夠通過改變刺激的新異程度進而影響對新異刺激的時距知覺,另一面也從另一個角度支持了知覺物體的拓撲學(xué)定義。

時距知覺會受到眾多因素的影響,但是其產(chǎn)生的心理和神經(jīng)機制目前仍存在著爭論。傳統(tǒng)的計時模型認為在有機體的大腦中存在一個類似時鐘或計時器的“裝置”,它為主體感知外部的時距信息提供了一套計時機制(Treisman,1963)。然而,這類模型并沒有得到更多生理學(xué)研究的證實。因此,Eagleman和Pariyadath (2009)提出了神經(jīng)編碼效能假設(shè),認為個體的時距知覺反映了大腦表征外部刺激所需要的神經(jīng)能量,所需的能量越多,知覺的時距越長。這一假設(shè)得到了眾多研究的支持。如Sadeghi等人(2011)以隨機運動的點組成的若干標準刺激和一個測試刺激為實驗材料,發(fā)現(xiàn)人類在視覺時距辨別任務(wù)中的表現(xiàn)與猴子在相應(yīng)條件下視覺皮層的顳中區(qū)(the middle temporal area,MT區(qū))神經(jīng)活動的適應(yīng)性特征變化一致,即隨著猴子 MT區(qū)神經(jīng)活動的增強(包括神經(jīng)反應(yīng)持續(xù)時間的增長和振幅的增大),人類被試的時距知覺也變長。神經(jīng)編碼效能假設(shè)在解釋時距知覺中的新異刺激效應(yīng)時,常將關(guān)注點放在重復(fù)出現(xiàn)的標準刺激,認為新異刺激效應(yīng)的產(chǎn)生是由于表征重復(fù)刺激時神經(jīng)編碼效能提高,神經(jīng)活動減弱,對應(yīng)著較短的時距知覺;反之,表征新異刺激時神經(jīng)活動較強,知覺到的時距也隨之變長(李寶林,黃希庭,畢翠華,陳有國,2013)。這一假設(shè)同樣可以為本研究結(jié)果提供一種合理的解釋。已有研究表明拓撲性質(zhì)知覺主要激活了前顳葉皮層(Wang,Zhou,Zhuo,&Chen,2007;Zhou,Zhang,&Chen,2008;Zhou et al.,2010;Zhuo et al.,2003),且在長距離似動中前顳葉的激活程度隨著兩圖形間差異性質(zhì)穩(wěn)定性的增大而線性上升(Zhuo et al.,2003)。因此本研究結(jié)果,即隨著標準刺激與新異刺激間差異性質(zhì)穩(wěn)定性的增大,被試對新異刺激呈現(xiàn)時間的高估量也隨之增大,符合神經(jīng)編碼效能假設(shè)。

不過在本研究中,當(dāng)標準刺激與新異刺激都為視覺刺激時,被試對新異刺激呈現(xiàn)時間的高估量(平均約為 2.36%)比以往研究要小(約為 10%,Pariyadath &Eagleman,2007),且沒有在所有條件下都出現(xiàn)顯著的新異刺激效應(yīng)。這可能主要有以下幾個原因：第一,從刺激呈現(xiàn)方式來看,以往研究在新異刺激呈現(xiàn)之后會接著呈現(xiàn)標準刺激(Pariyadath &Eagleman,2007;Schindel et al.,2011;Tse et al.,2004),而本研究的新異刺激總是位于刺激序列中的最后一個位置。相比而言,當(dāng)新異刺激前后都有標準刺激時,其新異性可能會更加突出,故以往研究中對新異刺激呈現(xiàn)時間的高估量相對較大;第二,在本研究中,被試在一次實驗中必須完成多種條件的任務(wù),這一方面可能會造成被試的疲勞,另一方面由于各種條件中新異刺激的新異程度不同且是隨機呈現(xiàn),被試對一種新異刺激呈現(xiàn)時間的知覺可能會受到其他新異刺激的影響,即除了標準刺激,其他條件的新異刺激也成為了被試作出判斷的參考,這就造成被試對新異刺激呈現(xiàn)時間的知覺更為準確,進而削弱了新異刺激效應(yīng)。此外,實驗背景(experimental context)也是影響新異刺激效應(yīng)的重要因素。已有研究發(fā)現(xiàn)實驗中某個試次產(chǎn)生的新異刺激效應(yīng)大小受到之前試次產(chǎn)生的新異刺激效應(yīng)大小范圍的影響(Pariyadath &Eagleman,2012)。在本研究中當(dāng)標準刺激與新異刺激間為非拓撲性質(zhì)差異時,結(jié)果并沒有出現(xiàn)顯著的新異刺激效應(yīng),這可能是由于在實驗中非拓撲性質(zhì)差異條件總是與拓撲性質(zhì)差異條件同時存在,被試在非拓撲性質(zhì)差異條件下產(chǎn)生的新異刺激效應(yīng)大小受到了在拓撲性質(zhì)差異條件下產(chǎn)生的新異刺激效應(yīng)大小的調(diào)節(jié)。盡管如此,本研究還是觀察到不同條件下被試對新異刺激呈現(xiàn)時間的高估量不同,表明拓撲性質(zhì)對新異刺激時距知覺的確具有重要影響。

本研究發(fā)現(xiàn)相比其他幾何性質(zhì),被試會在拓撲性質(zhì)差異條件下更大程度地高估新異刺激的呈現(xiàn)時間。盡管刺激自身特征是影響時距知覺的重要因素(Xuan et al.,2007),但本研究結(jié)果卻并非由刺激自身特征影響所致。實驗1發(fā)現(xiàn)無論標準刺激與新異刺激為何種刺激,只要它們之間存在拓撲性質(zhì)差異,被試都更傾向于高估新異刺激的呈現(xiàn)時間,這說明拓撲性質(zhì)對新異刺激時距知覺的影響是較穩(wěn)定的。同樣,實驗2發(fā)現(xiàn)當(dāng)標準刺激與新異刺激間不存在幾何性質(zhì)差異時,被試知覺到的新異刺激呈現(xiàn)時間沒有顯著差異,這進一步驗證了不同層次的幾何不變性質(zhì)對新異刺激時距知覺的影響。此外,以往的研究表明聽覺通道在時距知覺中占有優(yōu)勢地位(Kanai,Lloyd,Bueti,&Walsh,2011),等時距呈現(xiàn)的條件下,被試往往會判斷聲音的呈現(xiàn)時間更長(Walker &Scott,1981)。然而,實驗2發(fā)現(xiàn)當(dāng)標準刺激為聽覺刺激時,被試并沒有顯著低估新異刺激的呈現(xiàn)時間。已有眾多研究發(fā)現(xiàn)某些神經(jīng)活動會隨著刺激的重復(fù)出現(xiàn)而減弱,即重復(fù)抑制現(xiàn)象(Grill-Spector,Henson,&Martin,2006;Ranganath&Rainer,2003)。根據(jù)神經(jīng)編碼效能假設(shè)聽覺刺激的重復(fù)出現(xiàn)可能減弱了相關(guān)神經(jīng)活動的強度,進而使被試低估了標準刺激的呈現(xiàn)時間。因此,本研究中被試之所以沒有在聽覺刺激條件下低估新異刺激的呈現(xiàn)時間可能是這兩種作用相互抵消的結(jié)果。

本研究利用時距知覺中的新異刺激效應(yīng)考查了拓撲性質(zhì)對新異刺激時距知覺的影響,發(fā)現(xiàn)相比其他幾何性質(zhì),拓撲性質(zhì)的改變對新異刺激時距知覺的影響最大。然而,非拓撲性質(zhì)除了本研究中的幾種幾何性質(zhì),還包括顏色、光通量、空間頻率等等,與它們相比拓撲性質(zhì)對新異刺激時距知覺的影響是否仍具有優(yōu)勢,這是今后研究應(yīng)繼續(xù)探討的問題。另外,本研究只關(guān)注了洞的個數(shù)這種拓撲性質(zhì)對新異刺激時距知覺的影響,但是拓撲性質(zhì)還包括連通性、內(nèi)外關(guān)系等,今后研究還應(yīng)采用不同的方法繼續(xù)探討這些性質(zhì)對時距知覺的影響。

5 結(jié)論

作為一種重要的非時間信息,拓撲性質(zhì)對視覺新異刺激時距知覺具有重要影響,這表現(xiàn)在(1)當(dāng)標準刺激與新異刺激表現(xiàn)出拓撲性質(zhì)的差異時,被試更傾向于高估新異刺激的呈現(xiàn)時間;(2)相對于其他幾何性質(zhì)的變化,拓撲性質(zhì)的變化能夠?qū)е赂蟪潭鹊男庐惔碳ば?yīng)。同時,這一結(jié)果為知覺物體的拓撲學(xué)定義提供了新的證據(jù)。

Aaen-Stockdale,C.,Hotchkiss,J.,Heron,J.,&Whitaker,D.(2011).Perceived time is spatial frequency dependent.

Vision Research,51

(11),1232–1238.An,R.,Yin,G.E.,&Zheng,J.X.(2004).The geometry-characters and topology-characters of figures influence similarity judgment and categorization.

Studies of Psychology and Behavior,2

(4),626–629.

[安蓉,陰國恩,鄭金香.(2004).圖形拓撲性質(zhì)對相似性判斷和分類的影響.心理與行為研究,2(4),626–629.]

Brown,S.W.(1995).Time,change,and motion:The effects of stimulus movement on temporal perception.

Perception &Psychophysics,57

(1),105–116.Chen,L.(1982).Topological structure in visual perception.

Science,218

(4573),699–700.Chen,L.(1985).Topological structure in the perception of apparent motion.

Perception,14

(2),197–208.Chen,L.(2005).The topological approach to perceptual organization.

Visual Cognition,12

(4),553–637.Chen,L.(2008).Neural correlation of “global-first” object formation:Anterior temporal lobe.

Chinese Bulletin of Life Sciences,20

(5),718–721.

[陳霖.(2008).“大范圍優(yōu)先”對象形成的神經(jīng)關(guān)聯(lián):前顳葉.生命科學(xué),20(5),718–721.]

Chen,L.,Zhang,S.W.,&Srinivasan,M.V.(2003).Global perception in small brains:Topological pattern recognition in honey bees.

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,100

(11),6884–6889.Chen,L.,&Zhou,W.(1997).Holes in illusory conjunctions.

Psychonomic Bulletin &Review,4

(4),507–511.Chien,S.H.-L.,Lin,Y.-L.,Qian,W.L.,Zhou,K.,Lin,M.-K.,&Hsu,H.-Y.(2012).With or without a hole:Young infants'sensitivity for topological versus geometric property.

Perception,41

(3),305–318.Eagleman,D.M.,&Pariyadath,V.(2009).Is subjective duration a signature of coding efficiency?

Philosophical Transactions of the Royal Society B:Biological Sciences,364

(1525),1841–1851.Grill-Spector,K.,Henson,R.,&Martin,A.(2006).Repetition and the brain:Neural models of stimulus-specific effects.

Trends in Cognitive Sciences,10

(1),14–23.Huang,X.T.,Li,B.Y.,&Zhang,Z.J.(2003).The research of the range-synthetic model of temporal cognition.

Journal of Southwest China Normal University (Humanities and Social Science Edition),29

(2),5–9.

[黃希庭,李伯約,張志杰.(2003).時間認知分段綜合模型的探討.西南師范大學(xué)學(xué)報 (人文社會科學(xué)版),29(2),5–9.]

Huang,Y.,Zhou,T.G.,&Chen,L.(2011).The precedence of topological change over top-down attention in masked priming.

Journal of Vision,11

(12),1–10.Kanai,R.,Lloyd,H.,Bueti,D.,&Walsh,V.(2011).Modality-independent role of the primary auditory cortex in time estimation.

Experimental Brain Research,209

(3),465–471.Li,B.L.,Huang,X.T.,Bi,C.H.,&Chen.Y.G.(2013).Distortions of time perception:The oddball effect.

Advances in Psychological Science,21

(6),1086–1094.

[李寶林,黃希庭,畢翠華,陳有國.(2013).時距知覺的扭曲:新異刺激效應(yīng).心理科學(xué)進展,21(6),1086–1094.]

Pariyadath,V.,&Eagleman,D.M.(2007).The effect of predictability on subjective duration.

Plos One,2

(11),e1264.Pariyadath,V.,&Eagleman,D.M.(2012).Subjective duration distortions mirror neural repetition suppression.

Plos One,

7

(12),e49362.Ranganath,C.,&Rainer,G.(2003).Neural mechanisms for detecting and remembering novel events.

Nature Reviews Neuroscience,4

(3),193-202.Sadeghi,N.G.,Pariyadath,V.,Apte,S.,Eagleman,D.M.,&Cook,E.P.(2011).Neural correlates of subsecond time distortion in the middle temporal area of visual cortex.

Journal of Cognitive Neuroscience,23

(12),3829–3840.Schindel,R.,Rowlands,J.,&Arnold,D.H.(2011).The oddball effect:Perceived duration and predictive coding.

Journal of Vision,11

(2),1–9.Todd,J.T.,Chen,L.,&Norman,J.F.(1998).On the relative salience of Euclidean,affine,and topological structure for 3-D form discrimination.

Perception,27

,273–282.Treisman,M.(1963).Temporal discrimination and the indifference interval:Implications for a model of the"internal clock".

Psychological Monographs:General and Applied,77

(13),1–31.Tse,P.U.,Intriligator,J.,Rivest,J.,&Cavanagh,P.(2004).Attention and the subjective expansion of time.

Perception&Psychophysics,66

(7),1171–1189.Walker,J.T.,&Scott,K.J.(1981).Auditory-visual conflicts in the perceived duration of lights,tones,and gaps.

Journal of Experimental Psychology:Human Perception and Performance,7

(6),1327–1339.Wang,B.,Zhou,T.G.,Zhuo,Y.,&Chen,L.(2007).Global topological dominance in the left hemisphere.

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,104

(52),21014–21019.Wang,L.,&Jiang,Y.(2012).Life motion signals lengthen perceived temporal duration.

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,109

(11),E673–E677.Xuan,B.,Zhang,D.R.,He,S.,&Chen,X.C.(2007).Larger stimuli are judged to last longer.

Journal of Vision,7

(10),1–5.Zhou,K.,Luo,H.,Zhou,T.G.,Zhuo,Y.,&Chen,L.(2010).Topological change disturbs object continuity in attentive tracking.

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,107

(50),21920–21924.Zhou,T.G.,Zhang,J.,&Chen,L.(2008).Neural correlation of “Global-first” topological perception:Anterior temporal lobe.

Brain Imaging and Behavior,2

(4),309–317.Zhu,J.,Guo,X.Y.,Ma,Y.,&Ren,F.(2010).Different topological properties pattern recognition in mice.

Progress in Biochemistry and Biophysics,37

(6),613–617.

.

[朱靜,郭興焱,馬園,任菲.(2010).小鼠對不同拓撲性質(zhì)圖形的識別.生物化學(xué)與生物物理進展,37(6),613–617.]

Zhu,Y.(2005).Chen Lin’s theory of topological perception.

Psychological Science,28

(5),1031–1034.

[朱瀅.(2005).陳霖的拓撲性質(zhì)知覺理論.心理科學(xué),28(5),1031–1034.]

Zhuo,Y.,Zhou,T.G.,Rao,H.Y.,Wang,J.J.,Meng,M.,Chen,M.,...Chen,L.(2003).Contributions of the visual ventral pathway to long-range apparent motion.

Science,299

(5605),417–420.Zuo,Z.T.,Luo,H.,&Zhou,K.(2013).The role of topological invariants in motion-induced blindness.

Progress in Biochemistry and Biophysics,40

(5),471–478

.

[左真濤,羅歡,周可.(2013).拓撲不變性質(zhì)在運動誘發(fā)視盲現(xiàn)象中的作用.生物化學(xué)與生物物理進展,40(5),471–478.]