數(shù)字空間聯(lián)結(jié)的靈活性及其內(nèi)在機制*

顏麗珠 陳妍秀 劉 勛 傅世敏 南威治

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數(shù)字空間聯(lián)結(jié)的靈活性及其內(nèi)在機制*

顏麗珠1陳妍秀1劉 勛2傅世敏1南威治1

(1廣州大學教育學院心理系/腦與認知科學中心, 廣州 510006) (2中國科學院行為科學重點實驗室, 北京 100101)

數(shù)字空間聯(lián)結(jié)一直是認知心理學領域研究的熱點之一。探索數(shù)字空間聯(lián)結(jié)的一個重要指標為空間?數(shù)字反應聯(lián)合編碼(spatial-numerical association of response codes, SNARC)效應(左/右手對小/大數(shù)反應更快更準確)。以往研究已驗證SNARC效應的普遍性及其在方向上的靈活性, 并提出多種理論解釋。此外, SNARC效應在加工階段上也具有靈活性, 其原因可能有：(1)加因素法則的理解偏差; (2)觀察的角度單一; (3)觀察效標的差異; (4)使用任務的差異。結(jié)合以上因素, 提出雙階段(數(shù)量信息的空間表征、空間表征到反應選擇)加工模型, 不同的操控因素分別作用于兩個階段可能是引起SNARC效應靈活變化的核心原因。未來研究可從對比任務差異、引入不同干擾因素等方面進一步驗證雙階段加工模型, 并結(jié)合認知神經(jīng)科學技術(shù)揭示數(shù)字空間聯(lián)結(jié)靈活性的內(nèi)在神經(jīng)機制。

SNARC效應, 靈活性, 數(shù)字空間聯(lián)結(jié), 雙階段加工模型

1 引言

數(shù)字與人類社會同在, 是正常生活的必要工具。早在原始社會, 人類就用石子或繩結(jié)來計數(shù)。到現(xiàn)代社會, 數(shù)字被用來表示身高、體重等, 甚至組成證件號來表示人們獨一無二的身份。人們使用數(shù)字去描述、認識和理解世界。心理學家也試圖解答大腦如何表征和加工數(shù)字的問題, 探究人類理解、產(chǎn)生和計算數(shù)字時的心理過程(Dehaene, 1989, 1992; Moyer & Landauer, 1967)。

數(shù)字與空間的聯(lián)結(jié)是數(shù)字加工的一個重要方面, 對其進行研究有助于了解數(shù)字的加工過程(徐曉東, 劉昌, 2006)。Galton (1880)分析了一些內(nèi)省報告, 首次指出數(shù)字具有空間特性。Seron等人(1992)也發(fā)現(xiàn)大多數(shù)被試對從小到大的數(shù)字具有從左到右的心理表征。除了這些內(nèi)省證據(jù), 也有行為證據(jù)表明數(shù)字具有空間表征(Brysbaert, 1995; Fias et al., 1996; Ratinckx & Brysbaert, 2002)。數(shù)字空間聯(lián)結(jié)研究領域內(nèi)一個里程碑式的進展是空間?數(shù)字反應編碼聯(lián)合(spatial-numerical association of response codes, SNARC)效應的發(fā)現(xiàn), 即左手相比于右手對小數(shù)反應更快更準確, 右手相比于左手對大數(shù)反應更快更準確(Dehaene et al., 1993)。SNARC效應作為實驗指標, 清晰地表明數(shù)字空間聯(lián)結(jié)的存在, 反映出小數(shù)與左側(cè)空間、大數(shù)與右側(cè)空間有更強聯(lián)結(jié)。

2 SNARC效應的普遍性和靈活性

2.1 SNARC效應存在普遍性

Dehaene等人(1993)最早在判斷數(shù)字0～9奇偶性質(zhì)的實驗中發(fā)現(xiàn)SNARC效應。此后SNARC效應得到了廣泛研究, 包括數(shù)字范圍、實驗材料、感覺通道、反應方式和反應指標等方面(康武等, 2013)。在數(shù)字范圍方面, SNARC效應不僅發(fā)生在個位數(shù)(Dehaene et al., 1993; Moro et al., 2018; Zhao et al., 2018), 也擴展到了雙位數(shù)(Brysbaert, 1995; Fitousi & Algom, 2020)、負數(shù)(韓萌等, 2017; Kong et al., 2012)、數(shù)詞(Nuerk et al., 2005; 喬福強等, 2016)和分數(shù)(孫玉等, 2016)等。在實驗材料方面, SNARC效應不僅發(fā)生在數(shù)字上, 也發(fā)生在字母(Gevers et al., 2003; Lonnemann et al., 2013)、音符(Prpic et al., 2016)、音高(Weis et al., 2016)、時間(He et al., 2020; Zhao et al., 2018)、邏輯推理(Prado et al., 2008)、面積和亮度(Fumarola et al., 2014; 胡林成, 熊哲宏, 2011)等具有順序信息的材料上。在感覺通道方面, Nuerk等人(2005)要求被試判斷四種不同形式數(shù)字的奇偶性質(zhì), 包括點陣、阿拉伯數(shù)字、視覺呈現(xiàn)的德語數(shù)字、聽覺呈現(xiàn)的德語數(shù)字, 結(jié)果均發(fā)現(xiàn)SNARC效應, 第一次證明該效應存在于除視覺之外的其他感覺通道中; 除此之外, Krause等人在觸覺通道中也發(fā)現(xiàn)了SNARC效應(Krause et al., 2014)。在反應方式方面, 在雙手反應(Rusconi et al., 2011; Shaki & Gevers, 2011)、雙手交叉反應(Dehaene et al., 1993; Viarouge et al., 2014)、單手反應(Riello & Rusconi, 2011)和雙腳踏板(Hartmann et al., 2014)等反應方式上都能觀察到SNARC 效應。在反應指標方面, SNARC效應不僅出現(xiàn)在反應時上, 也在眼動軌跡(Myachykov et al., 2015; Pressigout et al., 2019; 司繼偉等, 2013)、腦電(Keus et al., 2005)、磁共振成像(Tschentscher et al., 2012; Weis et al., 2015)、近紅外成像(Cutini et al., 2014)等指標上出現(xiàn)。Keus等人(2005)通過數(shù)字奇偶判斷任務觀測腦電指標, 發(fā)現(xiàn)SNARC效應不一致條件相比于一致條件, 在Cz和Pz電極上的反應鎖定的單側(cè)化準備電位(lateralized readiness potential, LRPs)出現(xiàn)更負的波幅。韓萌等人(2017)在負數(shù)材料上發(fā)現(xiàn)SNARC效應不一致條件比一致條件誘發(fā)了更負的P3。溯源分析進一步將SNARC效應定位于額葉與頂葉。數(shù)字加工的磁共振成像研究表明, 無論在視覺刺激或非視覺刺激, 無論在符號數(shù)字或非符號數(shù)字, 頂內(nèi)溝都會被激活(Cohen Kadosh & Walsh, 2009; Dehaene et al., 2004)。這些研究說明SNARC效應, 即數(shù)字與空間聯(lián)結(jié)這一現(xiàn)象, 具有普遍性。

2.2 SNARC效應存在靈活性

此外, SNARC效應還在方向和發(fā)生階段方面具有一定的靈活性。不同的操控因素從不同角度影響SNARC效應的發(fā)生過程, 使其在方向和發(fā)生階段上發(fā)生變化, 表現(xiàn)出SNARC效應具有一定的靈活性。(1)方向的靈活性。研究者們發(fā)現(xiàn)不同被試的閱讀習慣(從左向右閱讀或從右向左閱讀等) (Dehaene et al., 1993)、變化的數(shù)字范圍(1～9、0～4、4～9等) (Dehaene et al., 1993; Fias et al., 1996)、不同的表征方式(直尺或鬧鐘等) (B?chtold et al., 1998)、工作記憶序列位置(Fias & van Dijck, 2016)和比較大小的參照標準(Zhang et al., 2020)等因素都會影響SNARC效應的方向。如Dehaene等人(1993)在從左到右閱讀習慣的被試上觀察到小數(shù)左手按鍵更快和大數(shù)右手按鍵更快的經(jīng)典SNARC效應, 而在從右到左閱讀習慣的被試上觀察到大數(shù)左手按鍵更快和小數(shù)右手按鍵更快的反向SNARC效應。(2)發(fā)生階段的靈活性。研究者們從SNARC效應與發(fā)生在不同階段的效標(如Simon效應、Stroop效應、數(shù)字距離效應、轉(zhuǎn)換成本效應等)的關(guān)系、SNARC效應在不同反應方式上的變化(雙手反應或眼動等)、以及SNARC效應誘發(fā)的腦電成分等三個角度試圖確定SNARC效應的發(fā)生階段(早期刺激表征階段或晚期的反應選擇階段), 但研究結(jié)果仍存在爭議(Nan et al., 2021)。一些研究結(jié)果表明SNARC效應發(fā)生在早期刺激表征階段(Fischer et al., 2004; Mapelli et al., 2003; Tlauka, 2002), 另一些研究結(jié)果則支持其發(fā)生在晚期反應選擇階段(Daar & Pratt, 2008; Gevers et al., 2005; Gevers, Ratinckx et al., 2006; Keus et al., 2005; Keus & Schwarz, 2005; Yan et al., 2021), 最新的一些研究則認為其靈活地發(fā)生在這兩個階段(Moro et al., 2018; Nan, et al., 2021; Zhang et al., 2020)。下文將從這兩點靈活性展開具體論述并總結(jié)其原因。

3 SNARC效應方向的靈活性及理論解釋

Dehaene等(1993)提出了心理數(shù)字線(Mental Number Line)來解釋SNARC效應及其方向的靈活性, 但該假設并不能完全解釋SNARC效應的所有研究結(jié)果(B?chtold et al., 1998; van Dijck et al., 2009), 對此一些研究者也提出如極性編碼理論(Proctor & Cho, 2006)、雙路徑模型(Gevers, Verguts, et al., 2006)、工作記憶序列位置(Fias & van Dijck, 2016)、神經(jīng)網(wǎng)絡模型(Chen & Verguts, 2010)和大腦半球偏側(cè)化(Vallortigara, 2017)等假設做進一步解釋。

3.1 早期理論解釋

3.1.1 心理數(shù)字線解釋

心理數(shù)字線假設認為數(shù)字在大腦中被表征成一條從左到右的向量, 小數(shù)在左, 大數(shù)在右, 因此數(shù)字與空間聯(lián)結(jié), 產(chǎn)生內(nèi)在空間屬性。SNARC效應反映了數(shù)字和反應二者空間屬性的兼容性(Brysbaert, 1995; Dehaene et al., 1990; Vu & Proctor, 2001), 當數(shù)字的左/右空間屬性與參與者的左/右反應一致時, 反應較快, 反之, 反應變慢(Cutini et al., 2014; Dehaene et al., 1993; Fischer & Shaki, 2014; 康武等, 2013; Moro et al., 2018)。

研究者們認為閱讀和書寫習慣是心理數(shù)字線在長時記憶中形成的原因之一, 因此不同方向的閱讀和書寫習慣會引起不同的數(shù)字空間聯(lián)結(jié)模式(Dehaene et al., 1993; Fischer et al., 2010; 李雅君等, 2018; 劉雍江等, 2018)。Dehaene等人(1993)在法國被試(從左到右的閱讀習慣)上觀察到經(jīng)典的SNARC效應, 而在伊朗被試(從右到左的閱讀習慣)上出現(xiàn)了反向的SNARC效應。在垂直方向上, 也有研究發(fā)現(xiàn)與閱讀和書寫習慣相同方向的數(shù)字空間聯(lián)結(jié)模式(Gevers,Lammertyn, et al., 2006; Hung et al., 2008; Schwarz & Keus, 2004; Seron et al., 1992)。

但也有與閱讀和書寫習慣的解釋相悖的證據(jù), Ito和Hatta (2004)在日本被試(自上而下的閱讀習慣)觀察到與閱讀習慣反向的數(shù)字空間聯(lián)結(jié)模式。Dehaene等人(1993)和Fias等人(1996)發(fā)現(xiàn)數(shù)字范圍改變SNARC效應的方向, 即在0～5范圍內(nèi), 數(shù)字4為相對大數(shù), 右手對數(shù)字4反應更快, 而在4～9范圍內(nèi), 數(shù)字4為相對小數(shù), 左手對數(shù)字4反應更快。B?chtold等人(1998)發(fā)現(xiàn)數(shù)字的表征方式也會改變SNARC效應的方向, 即要求被試(從左到右的閱讀習慣)分別想象數(shù)字以直尺(小數(shù)在左側(cè))或鐘表(小數(shù)在右側(cè))的形式排列時, 分別觀察到了經(jīng)典SNARC效應和反向的SNARC效應。van Dijck等人(2009)發(fā)現(xiàn)數(shù)字在工作記憶中的序列位置也會改變SNARC效應的方向, 即在任務前要求被試記憶一串數(shù)字, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)記憶中數(shù)字的前/后位置與左/右空間形成聯(lián)結(jié), 左手對前位置的數(shù)字反應更快, 右手對后位置的數(shù)字反應更快, 與數(shù)字的大小信息無關(guān)。Zhang等人(2020)發(fā)現(xiàn)參照標準也會改變SNARC效應的方向, 即以3和7作為參照線索, 要求被試比較隨后出現(xiàn)的目標數(shù)字與線索的大小發(fā)現(xiàn), 與3比較時, 4、5和6為相對大數(shù), 出現(xiàn)右手相比于左手反應更快的SNARC效應; 與7比較時, 4、5和6為相對小數(shù), 出現(xiàn)左手相比于右手反應更快的反向的SNARC效應。因此, 長時記憶中的心理數(shù)字線假設并不能解釋全部的數(shù)字空間聯(lián)結(jié)現(xiàn)象(Abrahamse et al., 2016)。

3.1.2 極性編碼理論

Proctor和Cho (2006)首次提出極性編碼理論, 認為語義概念之間的聯(lián)結(jié)決定了SNARC效應。在二元分類任務中, 刺激和反應通常被編碼為正極和負極。因此, 在SNARC效應中, 在概念上, “右”、“上”與“大”同屬于正極, “左”、“下”與“小”同屬于負極。當刺激分類(如“大”)和反應位置(“右”)極性一致時, 反應選擇更快, 反之變慢。雖然在二分類任務中, 極性編碼理論比心理數(shù)字線解釋了更多研究結(jié)果, 相對大小的分類解釋了不同數(shù)字范圍的影響(Dehaene et al., 1993; Zhang et al., 2020), 但仍不能解釋表征方式、工作記憶序列位置的相關(guān)研究。

3.1.3 雙路徑模型解釋

Verguts等人(2005)為了解釋和整合數(shù)字認知中的一些發(fā)現(xiàn), 提出了數(shù)字認知的聯(lián)結(jié)模型, 其中位置編碼、線性縮放和心理數(shù)字線的固定變化是關(guān)鍵特征。Gevers等人(2006)整合并擴展了極性編碼理論和聯(lián)結(jié)模型, 提出了雙路徑的計算模型。該模型認為數(shù)字加工包含兩條并行的信息加工路徑：無條件路徑和條件路徑。(1)在無條件路徑中, 存在于長時記憶中的數(shù)字大小信息和空間方位信息的聯(lián)結(jié)被自動激活; (2)在條件路徑中, 根據(jù)當前任務要求, 數(shù)字被編碼為任務相關(guān)的二進制類別(如奇偶判斷), 數(shù)字類別與當前任務要求的映射關(guān)系在短時記憶中被激活。SNARC效應產(chǎn)生于兩條路徑激活的反應之間的協(xié)同性。如果任務相關(guān)的映射規(guī)則與長時記憶的數(shù)字空間聯(lián)結(jié)一致, 兩條路徑就會合作, 反應更快; 否則就會競爭, 反應更慢。因此, 當任務要求的數(shù)字表征方式發(fā)生變化(直尺或鐘表)時, 會觀察到不同方向的SNARC效應(B?chtold et al., 1998)。

3.2 近期理論解釋

3.2.1 工作記憶解釋

除以上早期理論, 一些研究者進一步引入工作記憶中的序列位置來解釋數(shù)字空間聯(lián)結(jié)現(xiàn)象(Abrahamse et al., 2016; Fias & van Dijck, 2016; van Dijck & Fias, 2011; van Dijck et al., 2009)。該假設認為：工作記憶中的數(shù)字序列位置的空間編碼誘發(fā)了SNARC效應, 即工作記憶中的數(shù)字序列的前/后位置與左/右空間形成聯(lián)結(jié), 產(chǎn)生一條短時的新的心理數(shù)字線, 該數(shù)字線相比于長時記憶中的心理數(shù)字線表征更強, 因此實驗者只能外顯地觀察到與短時的心理數(shù)字線對應的SNARC效應, 其方向可能與長時記憶中的心理數(shù)字線相同, 也可能與之相反。Lindemann等人(2008)、Herrera等人(2008)和van Dijck等人(2009)最早證實了工作記憶中的心理數(shù)字線在SNARC效應的發(fā)生上起著重要作用。工作記憶序列位置假設在早期理論的基礎上, 進一步闡釋了SNARC效應方向變化的原因(鄧之君等, 2017)。

3.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡模型解釋

Chen和Verguts (2010)在雙路徑模型的基礎上引入了文化因素和生理因素(即側(cè)頂葉, lateral intraparietal area, LIP)進一步擴展補充雙路徑模型, 提出了數(shù)字空間聯(lián)結(jié)的神經(jīng)網(wǎng)絡模型。該模型提出促使SNARC效應產(chǎn)生的兩個原因：一是由于自動觸發(fā)的大小反應, 小/大分別與左/右聯(lián)結(jié); 二是由于數(shù)字與空間的相互作用, 在LIP中, 小數(shù)字優(yōu)先激活左空間編碼單元, 促進了“左”反應, 大數(shù)字與之對應。這種雙源假設得到了Gevers等人(2010)與van Dijck等人(2009)的研究證實, 即語言——空間反應編碼與視覺——空間反應編碼對SNARC效應都有貢獻。

3.2.3 大腦半球偏側(cè)化的生物學解釋

另外, 在單側(cè)忽視癥病人(Zorzi et al., 2002)、學齡前兒童(van Galen & Reitsma, 2008)、嬰兒(Bulf et al., 2016)、甚至新生兒(Giorgio et al., 2019)和動物(Drucker & Brannon, 2014)等無語言能力群體中也能觀察到數(shù)字空間聯(lián)結(jié)現(xiàn)象。這些研究進一步質(zhì)疑了早期理論的解釋。Vallortigara (2017)提出了一個依靠大腦半球特殊化的情緒效價的理論：少/大量的物品分別會引發(fā)消極/積極的情緒, 優(yōu)先調(diào)動右/左半球, 從而分別導致左/右側(cè)的行為偏差。Felisatti等人(2020)基于動物大腦對不同空間頻率的非對稱調(diào)節(jié), 提出數(shù)字空間聯(lián)結(jié)的生物學機制, 即視覺模式中包含較少/多元素的空間頻率會優(yōu)先占用右/左大腦半球, 引起左/右行為偏差, 并在新生兒中得到驗證。Zhou等人(2020)在語義任務(奇偶判斷和水果?蔬菜分類)中發(fā)現(xiàn)左手偏側(cè)化效應, 而在大小比較任務中沒有觀察到左手偏側(cè)化, 也進一步推斷這種差異可能與大腦半球的偏側(cè)化以及空間編碼的任務相關(guān)性的綜合作用有關(guān)。

4 SNARC效應發(fā)生階段的靈活性及可能原因

SNARC效應除了方向存在靈活性以外, 其發(fā)生階段的定位也一直存在爭議。信息加工理論表明, 感官從刺激呈現(xiàn)到反應可以分為一系列階段：刺激表征、反應選擇和反應執(zhí)行等(Duncan, 1980; Marois et al., 2006; Tombu et al., 2011)。對于SNARC效應發(fā)生階段的定位, 研究者們主要提出了三種觀點, (1)發(fā)生在刺激表征階段(Tlauka, 2002), (2)發(fā)生在反應階段(Daar & Pratt, 2008; Yan et al., 2021), (3)既發(fā)生在刺激表征階段, 又發(fā)生在反應選擇階段(Moro et al., 2018; Zhang et al., 2020; Nan et al., 2021)。

4.1 刺激表征階段的證據(jù)

第一種觀點認為SNARC效應發(fā)生在刺激表征階段(Fischer et al., 2004; Mapelli et al., 2003; Tlauka, 2002)。主要有以下三個方面的證據(jù)：首先, SNARC效應與發(fā)生在反應選擇階段的Simon效應在反應時上沒有交互作用(Mapelli et al., 2003; Tlauka, 2002)。以往研究表明, 經(jīng)典的Simon效應(左/右手對左/右側(cè)空間刺激反應更快)被驗證發(fā)生在反應選擇階段(De Jong et al., 1994; 金桂春等, 2017; Leuthold, 2011)。根據(jù)加因素法則(若兩個過程發(fā)生在同一階段, 兩者會表現(xiàn)出交互; 反之兩者獨立) (Liu et al., 2010; Sternberg, 1969), Tlauka (2002)和Mapelli等人(2003)分別通過對呈現(xiàn)在屏幕左/右側(cè)的目標數(shù)字進行左/右按鍵反應來誘發(fā)SNARC和Simon效應, 兩個研究都發(fā)現(xiàn)兩種效應在反應時上沒有交互作用。因此推斷SNARC效應可能發(fā)生在與Simon效應不同的早期刺激表征階段。其次, 在與左右空間無關(guān)的中央反應方式上觀察到SNARC效應(Fischer et al., 2004)。Fischer等人(2004)在沒有左右區(qū)分的中央反應(眼動)上也觀察到了SNARC效應, 說明SNARC效應可能發(fā)生在與刺激表征加工相關(guān)的早期階段, 而非與反應相關(guān)的晚期階段。此外, Pinto等人(2019)使用go/no-go任務發(fā)現(xiàn), 只有發(fā)生在刺激表征階段的空間編碼和數(shù)字大小編碼被同時使用時, 才能觀察到SNARC效應, 說明SNARC效應可能發(fā)生在早期刺激表征階段。第三, 腦電研究發(fā)現(xiàn)SNARC效應可誘發(fā)N1、P1等早期成分的變化(Gut et al., 2012; Schuller et al., 2014)。Gut等人(2012)通過數(shù)字Flanker任務同時誘發(fā)SNARC和Flanker效應, 觀察到SNARC效應的不一致條件產(chǎn)生的早期N1成分的波幅顯著大于一致條件, 認為SNARC效應最早產(chǎn)生于頂枕部的N1成分。Schuller等人(2014)也發(fā)現(xiàn), 當用數(shù)字作為提示時, 發(fā)現(xiàn)數(shù)字可以引導注意偏向(小數(shù)向左、大數(shù)向右), 并且在早期P1成分上也發(fā)現(xiàn)注意偏向效應。

4.2 反應選擇階段的證據(jù)

第二種觀點認為SNARC效應發(fā)生在反應選擇階段(Daar & Pratt, 2008; Gevers et al., 2005; Gevers et al., 2006; Keus et al., 2005; Keus & Schwarz, 2005; Yan et al., 2021)。

與第一種觀點三個方面的證據(jù)對應, 首先, SNARC效應與發(fā)生在反應選擇階段的Simon效應在反應時上有交互作用(Gevers et al., 2005)。Gevers等人(2005) 同樣采用加因素法則, 重復了Mapelli等人(2003)的實驗, 觀察到SNARC、Simon與反應時分布的三重交互, 說明隨著反應時的增加, SNARC與Simon效應發(fā)生交互作用, 由此推斷兩者可能發(fā)生在相同加工階段, 即晚期反應選擇階段。Yan等人(2021)也在奇偶判斷任務中觀察到SNARC和Simon效應的交互作用, 支持SNARC效應發(fā)生在晚期反應選擇階段的推論。其次, SNARC效應只出現(xiàn)在左右手反應上, 而不出現(xiàn)在中央反應方式上(Keus & Schwarz, 2005)。Keus等人(2005)操控刺激的呈現(xiàn)位置(兩側(cè)/中心)和反應方式(中央反應的口頭/左右手按鍵), 發(fā)現(xiàn)SNARC效應與呈現(xiàn)位置無關(guān), 只發(fā)生在左右手按鍵反應方式中, 而沒有發(fā)生在中央的口頭報告反應上, 說明SNARC效應與左右空間的反應存在聯(lián)結(jié), 更可能發(fā)生在反應選擇階段。第三, 腦電研究發(fā)現(xiàn)SNARC效應可誘發(fā)P300、LRP等晚期成分的變化(Keus et al., 2005; Gevers et al., 2006)。Keus等人(2005)通過腦電實驗發(fā)現(xiàn)SNARC效應對反應選擇相關(guān)的單側(cè)化準備電位(LRP)成分存在影響。Gevers等人(2006)重復了Keus等人(2005)的實驗進一步發(fā)現(xiàn)LRP成分在刺激鎖時(s-LRP), SNARC效應的一致條件比不一致條件的起始潛伏期顯著更早, 而在反應鎖時(r-LRP)兩種條件沒有顯著差異, 進一步為SNARC效應發(fā)生在反應選擇階段提供證據(jù)。

除此之外, 徐曉東和劉昌(2006)從行為、電生理兩方面詳細論述了前人的研究, 總結(jié)多數(shù)證據(jù)是支持SNARC效應發(fā)生于反應選擇階段。Müller和Schwarz (2007)通過心理不應期范式要求被試完成奇偶判斷任務和音調(diào)辨別任務, 發(fā)現(xiàn)SNARC效應不隨SOA (stimulus onset asynchrony, 指從啟動刺激呈現(xiàn)起到目標刺激呈現(xiàn)之間的時間)的變化而變化。Daar和Pratt (2008)使用自由選擇范式, 讓被試對屏幕中央的數(shù)字自由按左/右鍵, 發(fā)現(xiàn)被試傾向于對小數(shù)按左鍵, 對大數(shù)按右鍵, 體現(xiàn)了數(shù)量信息和反應選擇的直接關(guān)系。Didino等人(2019)要求被試完成語義加工任務和非語義加工任務來驗證語義加工是否會影響SNARC效應, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)SNARC效應并不受到語義加工影響, 而受到反應延遲的影響, 反應越慢, 效應越強。以上研究都支持SNARC效應發(fā)生在反應選擇階段的推斷。

4.3 同時發(fā)生于兩個階段的證據(jù)

除了以上兩種認為SNARC效應發(fā)生在某一固定加工階段的觀點以外, 近幾年的研究結(jié)果趨向形成一個新觀點, 即SNARC效應可能不是單一出現(xiàn)在某一階段,而是既發(fā)生在刺激表征階段, 又發(fā)生在反應選擇階段(Moro et al., 2018; Nan, et al., 2021; Zhang et al., 2020)。Moro等人在SNARC效應中引入發(fā)生在刺激表征階段的數(shù)字距離效應(van Opstal & Verguts, 2011)和發(fā)生在反應選擇階段的轉(zhuǎn)換成本效應(Hirsch et al., 2017), 考察三者之間的交互作用來驗證SNARC效應的發(fā)生階段。結(jié)果觀察到SNARC效應與轉(zhuǎn)換成本效應(反應選擇相關(guān))存在交互作用, 以及SNARC、距離效應(刺激表征相關(guān))和反應時分布也存在三重交互。Zhang等人(2020)同樣也觀察到了SNARC效應與反應規(guī)則(反應選擇相關(guān))和距離效應(刺激表征相關(guān))的三重交互。Nan等人(2021)通過改進的數(shù)字大小比較任務, 引入發(fā)生在刺激表征階段的手動Stroop效應(Li et al., 2014)和發(fā)生在反應選擇階段的Simon效應, 結(jié)果觀察到SNARC效應既與Stroop效應發(fā)生交互, 又與Simon效應發(fā)生交互。以上結(jié)果都支持SNARC效應既發(fā)生在刺激表征階段又發(fā)生在反應選擇階段的推論。在腦電指標上, 韓萌等人(2017)在同一實驗的不同條件下觀察到SNARC效應靈活地出現(xiàn)在兩個階段。他們在大小比較任務中考察目標數(shù)字與基線數(shù)字(±5)的符號異同對SNARC效應的影響, 觀察到當目標數(shù)字與基線數(shù)字正負號相同時, 不一致比一致條件誘發(fā)了更負的 P300, 即SNARC效應發(fā)生于反應選擇階段; 當目標數(shù)字與基線數(shù)字正負號相異且基線數(shù)字為+5時, 不一致比一致條件誘發(fā)了更負的 N300, 說明SNARC效應發(fā)生在刺激表征階段; 而基線數(shù)字為–5時, 一致比不一致條件誘發(fā)了更正的晚期正電位(late positive potential, LPP), 說明SNARC效應發(fā)生在反應執(zhí)行階段。

4.4 發(fā)生階段存在靈活性的可能原因

以往研究關(guān)于SNARC效應的發(fā)生階段一直存在爭議, 可能是由以下四個原因造成。

第一, 對加因素法則的理解偏差導致間接推論。前人大多通過SNARC效應與Simon效應的關(guān)系來確定其加工階段(Gevers et al., 2005; Mapelli et al., 2003; Scerrati et al., 2017; Stroop, 1935)。根據(jù)加因素法則, SNARC與Simon效應沒有交互作用, 只能說明兩者沒有發(fā)生在同一加工階段, 而SNARC效應發(fā)生在早期刺激表征階段的結(jié)論屬于間接推論。若要直接推論, 必須全面觀察其加工階段, 可以同時引入發(fā)生在刺激表征階段和發(fā)生在反應選擇階段的兩種效應(Moro et al., 2018; Nan et al., 2021; Yan et al., 2021), 全面考察SNARC效應與兩種效應之間的關(guān)系, 從而直接確定其發(fā)生階段。近幾年支持SNARC效應發(fā)生在兩個階段的研究均是采用同時引入兩種效應的邏輯(Moro et al., 2018; Nan et al., 2021; Yan et al., 2021)。

第二, 觀察的角度單一導致間接推論。除了以上結(jié)合SNARC效應和Simon效應的研究外, 其他探究SNARC發(fā)生階段的研究大多只從一個角度來觀察其發(fā)生階段。例如, Fischer等人(2004) 在沒有左右區(qū)分的中央反應(眼動)觀察到SNARC效應, 推測其可能發(fā)生在與刺激表征加工相關(guān)的早期階段; Schuller等人(2014) 用數(shù)字作為線索提示, 發(fā)現(xiàn)數(shù)字可以引導注意偏向(小數(shù)向左、大數(shù)向右), 并且在早期P1成分上也發(fā)現(xiàn)注意偏向效應, 推斷數(shù)字空間聯(lián)結(jié)發(fā)生在信息加工的早期階段; Daar和Pratt (2008)讓被試對屏幕中央的數(shù)字自由按左/右鍵, 發(fā)現(xiàn)被試傾向于對小數(shù)按左鍵,對大數(shù)按右鍵, 體現(xiàn)了數(shù)量信息和反應選擇的直接關(guān)系。Keus等人(2005)和Gevers等人(2006)發(fā)現(xiàn)SNARC效應可誘發(fā)P300、LRP等晚期成分的變化。這些研究支持SNARC效應發(fā)生在刺激表征階段或反應選擇階段, 但它們存在與第一點相似的問題, 其只能說明SNARC效應發(fā)生在某一階段, 但并不能說明不發(fā)生在其他階段。

第三, 研究采用了不同類型的Simon效應作為效標, 二者發(fā)生機制有所不同, 導致觀察結(jié)果的差異。Simon效應根據(jù)刺激空間屬性的感知方式分為兩種類型：視覺運動Simon效應和認知Simon效應(王力等, 2012; Wang et al., 2014; Wiegand & Wascher, 2005)。二者在反應時分布分析(Response Time Distribution Analysis)、與手近效應的關(guān)系和腦電成分LRP成分上均有較大區(qū)別。視覺運動Simon效應由刺激的空間位置信息誘發(fā), 但由于視覺刺激的作用消逝較快, 其誘發(fā)的效應會隨著反應時的延長而減小、消失甚至反轉(zhuǎn), 且受到手近效應調(diào)節(jié)(當反應手距離刺激近時效應變大, 距離遠時效應變小), 在腦電上也觀察到在不一致條件下LRP成分的早期偏移。認知Simon效應由認知編碼的空間位置信息誘發(fā), 認知編碼的作用時間較長, 其誘發(fā)的效應會隨著反應時的延長而保持穩(wěn)定甚至增大, 且不受到手近效應的調(diào)節(jié), 在不一致條件下也不會出現(xiàn)LRP的早期偏移(Wiegand & Wascher, 2005, 2007)。以往研究SNARC與Simon效應的關(guān)系時, 多采用隨著反應時增大而變小的視覺運動Simon效應, 因此觀察到SNARC與Simon效應時而無交互、時而在時間進程上有交互等不同現(xiàn)象(Gevers et al., 2005; Keus & Schwarz, 2005; Mapelli et al., 2003; Treccani et al., 2010), 而采用認知Simon效應的研究則均穩(wěn)定地觀察到SNARC與Simon效應的交互(Nan et al., 2021; Yan et al., 2021)。未來研究應考慮結(jié)合認知Simon效應來考察SNARC效應與之的關(guān)系, 以確定其發(fā)生階段。

第四, 研究使用的任務不同, SNARC效應發(fā)生的通路有所不同, 導致觀察結(jié)果的差異。觀察SNARC效應的常用范式有數(shù)字奇偶判斷任務和數(shù)字大小比較任務, 二者對于數(shù)量信息的加工不同, SNARC效應的內(nèi)在產(chǎn)生過程在兩種任務中有所區(qū)別(見圖1) (Dehaene et al., 1993; Deng et al., 2018; Deng et al., 2017; Gevers, Lammertyn, et al., 2006)。在數(shù)字奇偶判斷任務中, 被試只需判斷奇偶性質(zhì), 無需加工數(shù)量信息, 因此對數(shù)量信息的加工是內(nèi)隱的(任務無關(guān))。在該任務中, 數(shù)量信息自下而上地被自動化加工并產(chǎn)生心理數(shù)字線表征, 數(shù)字在心理數(shù)字線上的位置和當前反應構(gòu)成沖突產(chǎn)生SNARC效應。而在數(shù)字大小判斷任務中, 被試只需判斷數(shù)量大小才能做出正確反應, 因此對數(shù)量信息的加工是外顯的(任務相關(guān))。在該任務中, 數(shù)量信息自上而下地被有意加工并產(chǎn)生心理數(shù)字線表征, 誘發(fā)SNARC效應。Deng等人(2018)年還在反應時間進程上觀察到, 隨著反應時間的變大, 奇偶判斷任務中效應量表現(xiàn)出上下波動的模式, 而大小比較任務中SNARC效應出現(xiàn)更早, 且保持穩(wěn)定甚至效應量變大的模式。Nan等人通過結(jié)合SNARC、Simon (反應選擇相關(guān))和Stroop (刺激表征相關(guān))三種效應, 發(fā)現(xiàn)在奇偶判斷任務中, SNARC和Simon效應發(fā)生交互, 支持SNARC發(fā)生在反應選擇階段的推論(Yan et al., 2021); 而在大小比較任務中, SNARC既與Simon效應交互, 又與Stroop效應交互, 支持SNARC同時發(fā)生在這兩個階段的推論(Nan et al., 2021)。

4.5 雙階段加工模型

對于SNARC效應發(fā)生階段靈活變化的現(xiàn)象, 以往的理論并沒有著重解釋。因此, 本綜述在SNARC效應前期模型的基礎上, 提出一個雙階段加工的概念模型(圖1), 嘗試進一步解釋SNARC效應發(fā)生階段的靈活性問題。

模型具體包含三層結(jié)構(gòu), 底層是輸入層, 包括數(shù)字的數(shù)量信息和奇偶信息的輸入; 中間層是表征層, 輸入層的信息在該層進行數(shù)量表征和奇偶表征, 并且數(shù)量表征會進一步產(chǎn)生空間表征; 上層是反應輸出層, 接收表征層的輸入, 根據(jù)任務要求對出現(xiàn)的數(shù)字進行反應。雙階段加工模型認為SNARC效應既發(fā)生在刺激表征階段又發(fā)生反應選擇階段, 這兩個階段可進一步具體表現(xiàn)為數(shù)量信息的空間表征階段和數(shù)量的空間表征到反應選擇階段。任何因素若干擾這兩個階段, 都會影響SNARC效應的產(chǎn)生及其效應量大小, 從而表現(xiàn)出以往研究中觀察到的不同形式的SNARC效應及它與其他效應之間的不同關(guān)系。

我們將以往觀察到的不同實驗結(jié)果歸因到不同因素對SNARC效應兩個階段的影響, 從而造成SNARC效應靈活變化的現(xiàn)象：

(1)長時記憶、工作記憶負載、任務類型、Stroop任務等與表征相關(guān)的因素影響了數(shù)量信息的空間表征階段。長時記憶的閱讀習慣影響數(shù)字信息的空間表征階段, 因此從左到右閱讀的個體出現(xiàn)從左到右的SNARC效應, 而從右到左閱讀的個體反之(Dehaene et al., 1993)。由于認知資源有限, 高工作記憶負載影響數(shù)字的數(shù)量表征到空間表征的過程, 引起SNARC效應消失甚至反轉(zhuǎn)(van Dijck & Fias, 2011)。任務類型也會影響這個階段, 如在顏色判斷任務中, 被試判斷數(shù)字的顏色時沒有對數(shù)字進行深入表征和加工, 數(shù)量信息與空間信息沒有得到足夠表征, 因此沒有觀察到SNARC效應(Didino et al., 2019)。以背景漢字“大小”與數(shù)字的大小信息誘導產(chǎn)生大小Stroop效應, 此時背景漢字也輸入了“大小”信息, 影響了該階段, 因此觀察到SNARC與Stroop發(fā)生交互作用(Nan et al., 2021)。

圖1 大小比較任務和奇偶判斷任務中SNARC效應的雙階段加工模型。實線表示任務相關(guān)信息的加工通路, 虛線表示任務無關(guān)信息的加工通路, 閃電箭頭表示SNARC效應產(chǎn)生鏈路的任一環(huán)節(jié)施加不同形式的干擾因素都會影響效應的產(chǎn)生。圖A表示大小比較任務, 數(shù)量信息為任務相關(guān)信息輸入, 奇偶信息為任務無關(guān)信息輸入; 圖B表示奇偶判斷任務, 奇偶信息為任務相關(guān)信息輸入, 大小信息為任務無關(guān)信息輸入。

(2) Simon任務和反應規(guī)則切換等與反應相關(guān)的因素影響了數(shù)量的空間表征到反應選擇階段。在SNARC和Simon效應結(jié)合的任務中, 當數(shù)字呈現(xiàn)在屏幕左右兩側(cè)時, 數(shù)字的空間位置影響數(shù)字的空間表征, 進一步干擾了空間表征到反應選擇階段, 進而使得SNARC效應可能消失(金桂春等, 2017)。反應規(guī)則的切換影響了反應選擇, 干擾了空間表征到反應選擇階段, 表現(xiàn)出SNARC效應與轉(zhuǎn)換成本交互的模式(Moro et al., 2018; Zhang et al., 2020)。

雙階段加工模型區(qū)別了大小比較和奇偶判斷不同任務下, 大小信息作為任務相關(guān)與任務無關(guān)信息的加工路徑差異, 提出多種不同的操控因素從不同角度影響了SNARC效應發(fā)生的兩個階段而使其發(fā)生變化, 較為完整地涵蓋并解釋了以往研究觀察到的SNARC效應靈活變化的現(xiàn)象。

5 總結(jié)與展望

5.1 研究總結(jié)

SNARC效應作為一個實證指標, 被廣泛運用于實驗研究中來驗證數(shù)字不僅包含了數(shù)量信息, 還傳遞了空間信息(Gevers et al., 2005; Nuerk et al., 2005)。已有的研究從多個角度驗證了SNARC效應的存在。但SNARC效應靈活多變, 受到不同操控因素的影響(Dehaene et al., 1993; van Dijck & Fias, 2011)。與此同時, 關(guān)于SNARC效應發(fā)生階段的靈活定位(刺激表征階段還是反應選擇階段)也一直存在爭論。本綜述總結(jié)并對比了前期關(guān)于SNARC效應產(chǎn)生的幾個理論假說和相關(guān)模型, 提出了SNARC效應的雙階段加工模型, 即SNARC效應的產(chǎn)生過程有數(shù)量信息的空間表征、數(shù)量的空間表征到反應選擇兩個關(guān)鍵階段, 對應信息加工過程中的早期刺激表征階段和晚期反應選擇階段。雙階段加工模型認為, 不同的操控因素從不同角度干擾SNARC效應產(chǎn)生的這兩個階段, 從而在不同研究中觀察到SNARC效應靈活變化的現(xiàn)象。

5.2 展望

SNARC效應研究領域有以下問題值得進一步探索：

第一, 考察不同任務的差異。誘發(fā)SNARC效應的常用任務有數(shù)字奇偶判斷任務和數(shù)字大小比較任務, 二者對于數(shù)量信息的加工不同(見圖1)。在奇偶判斷任務中, SNARC效應由任務無關(guān)的數(shù)量信息被自動加工表征, 產(chǎn)生空間編碼并進一步影響反應選擇而產(chǎn)生。而在大小比較任務中, 數(shù)量信息作為任務相關(guān)信息被加工表征, 產(chǎn)生空間編碼并進一步影響反應選擇產(chǎn)生SNARC效應。SNARC效應的內(nèi)在產(chǎn)生過程在兩種任務中有所區(qū)別。Nan等人通過結(jié)合SNARC、Simon和Stroop三種效應的設計發(fā)現(xiàn)：在奇偶判斷任務中, SNARC效應只和Simon效應發(fā)生交互(Yan et al., 2021); 而在大小比較任務中, SNARC既與Simon交互, 又與Stroop交互(Nan et al., 2021)。未來可圍繞兩種任務的異同做進一步探索。

第二, SNARC效應的發(fā)生階段。盡管已經(jīng)有很多研究探討了它的發(fā)生階段, 但仍存在分歧, 并沒有足夠的實證研究能夠解決以往研究分歧的問題。本文結(jié)合近幾年的實證研究證據(jù), 提出了雙階段加工階段模型, 認為SNARC效應既發(fā)生在早期的刺激表征階段又發(fā)生在晚期的反應選擇階段。SNARC效應的產(chǎn)生可以分為數(shù)量信息的空間表征階段和數(shù)量的空間表征到反應選擇階段, 任何因素對其中一個階段進行干擾就會影響SNARC效應。未來可以引入更多干擾因素來驗證這個模型：(1)改變輸入信息的負載強度(魏萍, 周曉林, 2005)以提高或者降低數(shù)字刺激表征的認知負荷, 如給刺激加入顏色信息來提高表征負荷; (2)提高或降低反應選擇的認知負荷, 如把雙按鍵改成四個按鍵提高反應維度。(3)類比與Simon效應的結(jié)合, 可以進一步與其他沖突任務結(jié)合, 引入發(fā)生在不同階段的效應來驗證模型(Kornblum et al., 1990), 如同時發(fā)生在刺激表征和反應選擇的Flanker效應或Stroop效應(唐丹丹等, 2020; 唐丹丹等, 2018; Treccani et al., 2009)。(4)除采用加因素法則觀察不同沖突間的交互作用之外, 引入如沖突適應(Yang et al., 2017)、比例一致性效應(Spinelli & Lupker, 2020)等其他的驗證方法, 可以從更多角度考察SNARC效應與其他沖突效應(如Stroop效應、Simon效應)之間的關(guān)系。

圖2 不同任務中MARC效應和SNARC效應結(jié)合的雙階段加工模型。圖A表示大小比較任務, 數(shù)量信息為任務相關(guān)信息; 圖B表示奇偶判斷任務, 奇偶信息為任務相關(guān)信息。

第三, SNARC效應與反應編碼顯著性效應(Linguistic Markedness of Response Codes, MARC)的關(guān)系。數(shù)字包含數(shù)量信息, 也包含奇偶信息。以往研究發(fā)現(xiàn)判斷奇偶性質(zhì)會產(chǎn)生與SNARC效應相似的MARC效應：左手對奇數(shù)反應更快, 右手對偶數(shù)反應更快(Nuerk et al., 2004)。與SNARC效應相似, MARC效應也可被雙階段加工模型分離成兩個加工階段(如圖2)。如果引入兩個階段的干擾因素, 同樣可能會觀察到MARC效應的變化。數(shù)字在奇偶表征和大小表征上可能存在相互影響, 并且兩者表征強度也可能存在差異。在圖2中, MARC效應和SNARC效應并不是獨立存在的, 二者共享了空間表征到反應選擇過程。未來可著眼于MARC效應的加工過程的分離及是否符合雙階段模型, 同時也對比MARC效應與SNARC效應的關(guān)系, 進一步探究數(shù)字空間聯(lián)結(jié)靈活性的內(nèi)在機制。

第四, 關(guān)于工作記憶與長時記憶在SNARC效應產(chǎn)生原因上的爭議。長時記憶和工作記憶的關(guān)系一直是研究熱點, Oberauer等人(2017)認為長時記憶和工作記憶信息交換由閥門來控制, 該閥門保護工作記憶的內(nèi)容不受干擾, 但當長時記憶被使用時也可以接收長時記憶信息。早期大量研究認為是閱讀和文化因素引起了SNARC效應, 即數(shù)字和空間的聯(lián)結(jié)來源于長時記憶表征(Dehaene et al., 1993; Fischer & Shaki, 2014; Ginsburg & Gevers, 2015; Shaki et al., 2009; Toomarian & Hubbard, 2018)。另一些研究者則認為在工作記憶中數(shù)字序列位置形成了短時空間聯(lián)結(jié)才是關(guān)鍵(Fias & van Dijck, 2016; Fischer & Shaki, 2016; van Dijck & Fias, 2011; van Dijck et al., 2009)。Abrahamse等人(2016)等人通過理論分析長時記憶與工作記憶的相關(guān)研究, 否認了長時記憶對數(shù)字空間聯(lián)結(jié)起作用, 認為只有工作記憶在其中起作用。未來還需要更多實證研究探究長時記憶與短時記憶是否同時作用于數(shù)字空間的聯(lián)結(jié), 以及二者作用的階段是否不同。

第五, SNARC效應的神經(jīng)機制。Gut等人(2012)在N1成分上觀察到SNARC效應, 認為SNARC效應發(fā)生在早期; 而Keus等人(2005)與Gevers等人(2006)發(fā)現(xiàn)LRP在刺激鎖時一致條件比不一致條件的起始潛伏期顯著更早, 而反應鎖時無顯著差異, 認為SNARC效應發(fā)生在晚期。除此之外, 在新生兒(Di Giorgio et al., 2019)和動物(Drucker & Brannon, 2014)等無語言能力的群體中發(fā)現(xiàn)了數(shù)字空間聯(lián)結(jié), 引起研究者們探究生物學方面的解釋(Felisatti et al., 2020; Vallortigara, 2017)。而對于SNARC效應與其他效應的關(guān)系目前更多還是集中在行為實驗(Mapelli et al., 2003; Nuerk et al., 2004), 未來可利用腦電、fMRI、fNIRS等技術(shù)與生物學因素更深入地在神經(jīng)機制層面上進行研究, 定位數(shù)字加工的特殊腦區(qū)以及相關(guān)的功能連接, 進一步確定靈活性的內(nèi)在神經(jīng)機制。

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The flexibility of spatial-numerical associations and its internal mechanism

YAN Lizhu1, CHEN Yanxiu1, LIU Xun2, FU Shimin1, NAN Weizhi1

(1Department of Psychology and Center for Brain and Cognitive Sciences, School of Education, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)(2CAS Key Laboratory of Behavioral Science, Institute of Psychology, 16 Lincui Road, Chaoyang District, Beijing 100101, China)

Spatial-numerical associations (SNAs) are a hot topic in the field of cognitive psychology. An important index to explore SNAs is the spatial-numerical association of response codes (SNARC) effect (i.e., faster responses to small numbers using left effectors, and the inverse for large numbers). Previous studies have verified the universality of the SNARC effect and its flexibility in direction, and a variety of theoretical explanations have been proposed. In addition, the SNARC effect is also flexible in the processing stage at which it occurs, which might be caused by: (1) disparities in the comprehension of additive-factor logic, (2) observation from a single point, (3) different types of Simon effects were adopted as the measure index, and (4) different tasks were adopted. Combining the above reasons, a new two-stage processing (spatial representation of magnitude, spatial representation to response selection) model was proposed. It was proposed that different interference factors acting on the two stages might be the core reason for the flexibility of the SNARC effect. Future research could focus on comparisons of different tasks and the adoption of various interference factors to verify the two-stage processing model and combine cognitive neuroscience technologies to further elucidate the neural mechanism underlying the flexibility of SNAs.

SNARC effect, flexibility, spatial-numerical associations, two-stage processing model

B842

2021-04-10

* 國家自然科學基金面上項目(31970993); 廣東省哲學社科共建項目(GD17XXL03); 教育部人文社科青年項目(19YJC190017)。

南威治, E-mail: nanwz@gzhu.edu.cn