掩蔽刺激對(duì)目標(biāo)識(shí)別加工的作用：來(lái)自fNIRS的證據(jù)*

楊海波 劉和珺 章 鵬 李 量

掩蔽刺激對(duì)目標(biāo)識(shí)別加工的作用：來(lái)自fNIRS的證據(jù)

楊海波劉和珺章 鵬李 量

(教育部人文社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地天津師范大學(xué)心理與行為研究院, 天津 30074) (天津師范大學(xué)心理學(xué)部, 天津 30387) (國(guó)民心理健康評(píng)估與促進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新中心, 天津 30074) (北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院, 北京 100080)

信息掩蔽刺激(如隨機(jī)字母群)對(duì)字母視覺(jué)搜索的干擾大于能量掩蔽刺激(如將字母群像素隨機(jī)化后的散點(diǎn)), 但相應(yīng)的中樞機(jī)理還不清楚。本研究采用記錄腦代謝激活模式的功能性近紅外光學(xué)腦成像技術(shù)(fNIRS), 考察年輕成年被試分別在字母掩蔽、字母碎片掩蔽、像素掩蔽條件下判斷上、下、左、右四個(gè)目標(biāo)字母是否相同時(shí)的大腦皮層氧合血紅蛋白濃度的變化。結(jié)果顯示, 依字母、字母碎片、隨機(jī)散點(diǎn)掩蔽條件順序, 被試的搜索任務(wù)成績(jī)顯著遞增, 而頂?枕皮層的激活范圍與程度顯著遞減, 表明信息掩蔽較匹配的能量掩蔽對(duì)視覺(jué)搜索有更大的干擾作用, 并在初級(jí)和聯(lián)合視覺(jué)皮層引發(fā)更大的激活。在字母碎片掩蔽條件下, 視覺(jué)初級(jí)皮層部分區(qū)域的激活水平與搜索行為績(jī)效的相關(guān)顯著, 而在字母掩蔽條件下, 視覺(jué)聯(lián)合皮層部分區(qū)域的激活水平與搜索行為績(jī)效的相關(guān)顯著。這進(jìn)一步說(shuō)明信息掩蔽中的字母掩蔽和字母碎片掩蔽的掩蔽作用在大腦皮層上所造成的加工負(fù)載存在差異。

視覺(jué)掩蔽; 視覺(jué)搜索; 近紅外腦功能成像; 頂枕葉

1 引言

日常生活中, 人們處于由眾多靜止和運(yùn)動(dòng)客體組合而成的環(huán)境之中, 視覺(jué)系統(tǒng)總是連續(xù)不斷地接受外界大量信息, 大腦同時(shí)對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)傳導(dǎo)來(lái)的大量信息進(jìn)行加工(Calvert & Thesen, 2004)。在這個(gè)過(guò)程中, 一些與目標(biāo)無(wú)關(guān)的信息在時(shí)間上和空間上出現(xiàn)在目標(biāo)信息位置, 就對(duì)目標(biāo)相關(guān)信息的加工產(chǎn)生一定的干擾, 導(dǎo)致個(gè)體不能全部加工目標(biāo)相關(guān)信息, 這種現(xiàn)象被稱為掩蔽(Gao, Schneider, & Li, 2017; Fahrenfort, Scholte, & Lamme, 2007)。Mattys, Brooks和Cooke (2009)提出, 依據(jù)內(nèi)在機(jī)制的不同, 刺激所引起的掩蔽作用分為能量掩蔽和信息掩蔽。視覺(jué)系統(tǒng)中, 能量掩蔽是指掩蔽刺激對(duì)目標(biāo)的干擾發(fā)生在視網(wǎng)膜水平, 使得目標(biāo)信息很難進(jìn)入大腦皮層得到更高水平的加工; 而信息掩蔽則是發(fā)生在大腦皮層加工層面, 由于掩蔽刺激與目標(biāo)在某個(gè)或多個(gè)特征維度上相似, 因此會(huì)在高級(jí)加工階段出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)(陳明立等, 2012; Mattys et al., 2009; Wardle, Cass, Brooks, & Alais, 2010)。已有大量研究證明, 能量掩蔽與信息掩蔽帶來(lái)的掩蔽效應(yīng)及其掩蔽機(jī)制均存在差異(Rabaglia & Schneider, 2016; Gao et al., 2017)。

為了進(jìn)一步探討刺激類型對(duì)信息掩蔽的作用機(jī)制, 陳明立(2012)的研究設(shè)置了無(wú)掩蔽與隨機(jī)散點(diǎn)條件、字母掩蔽與隨機(jī)散點(diǎn)條件和字母掩蔽與字母碎片掩蔽三種條件, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 被試在字母掩蔽與字母碎片掩蔽條件下的目標(biāo)識(shí)別成績(jī)沒(méi)有顯著差異, 因此他們推斷, 字母掩蔽與字母碎片掩蔽的掩蔽作用均發(fā)生在早期的知覺(jué)特征整合階段, 尚未到達(dá)更高級(jí)的語(yǔ)義加工階段。與此研究類似, Rabaglia等人(2016)的研究對(duì)比了隨機(jī)像素、隨機(jī)相位、字母碎片和字母這四種掩蔽條件下被試的目標(biāo)識(shí)別正確率, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 當(dāng)掩蔽刺激是完整字母或字母碎片時(shí), 被試的目標(biāo)識(shí)別成績(jī)沒(méi)有差異, 因此他們推斷認(rèn)為, 字母和字母碎片的掩蔽作用并沒(méi)有發(fā)生在高級(jí)加工階段。但是也有研究得出不同的結(jié)果, Gao等人(2017)的研究采用字母判斷搜索任務(wù), 通過(guò)設(shè)置相位掩蔽、隨機(jī)像素掩蔽、字母碎片掩蔽、字母掩蔽四種掩蔽刺激(其中相位掩蔽和隨機(jī)像素掩蔽是能量掩蔽, 字母碎片掩蔽和字母掩蔽是信息掩蔽), 考察被試在不同掩蔽刺激條件下對(duì)目標(biāo)字母搜索的行為表現(xiàn)。結(jié)果證實(shí)了信息掩蔽效應(yīng)顯著大于能量掩蔽效應(yīng), 同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn), 信息掩蔽的機(jī)制隨著刺激類型的改變而存在差異, 具體表現(xiàn)為字母掩蔽條件下的目標(biāo)識(shí)別正確率顯著低于字母碎片掩蔽條件, 表明字母掩蔽條件下的掩蔽效應(yīng)更大。因此他們認(rèn)為, 字母碎片掩蔽條件下僅僅保持了碎片的知覺(jué)信息, 而字母掩蔽條件下的掩蔽刺激得到更高級(jí)的識(shí)別, 其與目標(biāo)刺激存在語(yǔ)義水平的相似性, 因而掩蔽字母激活了語(yǔ)義水平的加工, 此時(shí)的掩蔽可以發(fā)生在語(yǔ)義加工水平(Gao et al., 2017)。可以看出, 研究者均對(duì)信息掩蔽的類型進(jìn)行了操作, 但是在不同研究中, 被試在不同類型信息掩蔽條件下的行為結(jié)果并不一致, 因此關(guān)于信息掩蔽的作用機(jī)制還需要借助更有效的方法來(lái)探討。

基于上述爭(zhēng)論, 一些研究使用腦成像技術(shù)探討了掩蔽刺激產(chǎn)生掩蔽效應(yīng)時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)規(guī)律。這些研究結(jié)果表明, 掩蔽后的目標(biāo)可見(jiàn)度與枕葉視覺(jué)皮層的響應(yīng)變化呈顯著相關(guān)(Breitmeyer, 2008; Cai et al., 2017; Tsubomi et al., 2009), 也就是說(shuō), 掩蔽刺激能夠影響初級(jí)視覺(jué)皮層的激活響應(yīng)。Fahrenfort等人(2007) 以有特定短線簇紋理特征的方塊圖形為目標(biāo)刺激, 以隨機(jī)任意方向的短線簇為掩蔽刺激, 探討掩蔽刺激對(duì)目標(biāo)刺激識(shí)別的掩蔽影響的機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 掩蔽所作用的腦區(qū)為在刺激呈現(xiàn)后109~141 ms被激活的枕葉區(qū)域, 由于掩蔽刺激信號(hào)干擾了額頂區(qū)對(duì)該枕葉皮層的再進(jìn)入加工(reentrant processing)的反饋調(diào)節(jié)作用, 進(jìn)而造成了對(duì)目標(biāo)信號(hào)知覺(jué)的掩蔽。

但是也有研究的結(jié)果與之不一致。Durantin, Gagnon, Tremblay和Dehais (2014)發(fā)現(xiàn), 隨著掩蔽刺激所產(chǎn)生的掩蔽效應(yīng)的增加, 被試的行為反應(yīng)績(jī)效下降, 視覺(jué)皮層的激活水平增高。這與Tse, Martinez-Conde, Schlegel和Macknik (2005)的研究結(jié)果不一致。對(duì)于這種現(xiàn)象, Durantin, Scannella, Gateau, Delorme和Dehais (2016)從認(rèn)知加工負(fù)荷角度進(jìn)行了分析和解釋。他們認(rèn)為, 隨著掩蔽效應(yīng)的增加, 識(shí)別目標(biāo)所需的認(rèn)知資源增加, 表現(xiàn)在大腦皮層激活上就是大腦皮層的激活水平顯著提高。也就是說(shuō), 掩蔽效應(yīng)越大, 大腦皮層的激活水平越高。同時(shí), Herrmann, Neueder, Troeller和Schulz (2016)的研究采用近紅外光學(xué)腦成像技術(shù)探討上述不一致的原因, 他們的研究發(fā)現(xiàn), 行為結(jié)果(目標(biāo)識(shí)別正確率)和大腦皮層血氧變化(血氧濃度的相對(duì)變化)均與對(duì)掩蔽刺激的加工負(fù)荷存在相關(guān), 其中目標(biāo)識(shí)別正確率與加工負(fù)荷呈負(fù)相關(guān); 而氧合血紅蛋白的變化與認(rèn)知負(fù)荷呈正相關(guān)。上述研究結(jié)果的不一致是由掩蔽刺激與目標(biāo)刺激的差異導(dǎo)致, 對(duì)已有研究進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn), 在掩蔽刺激選擇方面, 沒(méi)有很好地區(qū)分和操作能量掩蔽和信息掩蔽, 已有研究大多使用的是低信息量水平的材料, 比如隱形駐波(Tse et al., 2005)、隨機(jī)短線簇(Fahrenfort et al., 2007)等, 只有較少的研究涉及高信息量水平的掩蔽材料(Durantin et al., 2016)。另外, 即使是信息掩蔽, 也沒(méi)有很好地區(qū)分和操作掩蔽刺激信息含量的大小, 從而導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)差異。

到目前為止, 在視覺(jué)搜索任務(wù)中, 不同掩蔽類型刺激的特異性神經(jīng)機(jī)制還沒(méi)有得到一致性結(jié)論。綜合分析已有的行為研究與腦成像研究可以看出, 能量掩蔽與信息掩蔽的差異已經(jīng)在行為研究中得到證實(shí), 但是還不清楚這種外顯行為差異與大腦視覺(jué)皮層激活之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系; 另一方面, 行為研究對(duì)不同類型刺激導(dǎo)致信息掩蔽的探討存在爭(zhēng)議, 尤其也沒(méi)有得到大腦皮層激活機(jī)制的證據(jù)?；诖? 本研究使用功能性近紅外光譜腦成像技術(shù)(fNIRS)來(lái)考察在不同類型掩蔽刺激條件下被試進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的行為反應(yīng)與大腦視覺(jué)皮層激活的關(guān)系, 旨在對(duì)視覺(jué)搜索任務(wù)的行為反應(yīng)進(jìn)行考察的同時(shí), 還考察不同掩蔽類型刺激大腦視覺(jué)皮層激活的神經(jīng)機(jī)制, 以此探討不同掩蔽類型刺激的大腦視覺(jué)皮層激活是否具有特異性。實(shí)驗(yàn)操縱了掩蔽刺激的類型, 分為像素掩蔽、字母碎片掩蔽和字母掩蔽, 其中像素掩蔽是指掩蔽刺激由隨機(jī)像素組成, 沒(méi)有任何語(yǔ)義信息, 因此被稱為能量掩蔽。字母碎片掩蔽與字母掩蔽均為信息掩蔽, 根據(jù)Gao等人(2017)、楊志剛、張亭亭、宋耀武和李量(2014)等研究對(duì)信息掩蔽的分類, 字母碎片掩蔽條件下, 由于碎片與目標(biāo)字母存在知覺(jué)層面的相似性, 因此被稱為知覺(jué)掩蔽; 字母掩蔽條件下, 因字母包含清晰的語(yǔ)義信息, 具有自動(dòng)加工的特性, 與目標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)高級(jí)認(rèn)知加工資源, 被稱為認(rèn)知掩蔽。這三種類型的掩蔽刺激, 既有純粹的無(wú)語(yǔ)義的掩蔽, 也有知覺(jué)水平的掩蔽, 還有更高的認(rèn)知掩蔽, 較為全面地囊括了當(dāng)前掩蔽研究中的大部分掩蔽類型。通過(guò)這種設(shè)計(jì), 以期探討不同類型掩蔽刺激是否存在視覺(jué)皮層加工的分離和差異。在視覺(jué)注意研究中, 枕葉的視覺(jué)初級(jí)皮層和視覺(jué)聯(lián)合皮層是需要重點(diǎn)關(guān)注的皮層(Breitmeyer, 2008), 因此本研究重點(diǎn)關(guān)注枕葉皮層的激活模式。

已有研究表明, fNIRS已被廣泛用于探討視覺(jué)加工時(shí)枕葉視覺(jué)皮層活動(dòng), 可以對(duì)被試在視覺(jué)搜索過(guò)程中大腦皮層的血氧代謝活動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行較好的監(jiān)測(cè)(McIntosh, Shahani, Boulton, & McCulloch, 2010; Ward, Aitchison, Tawse, Simmers, & Shahani, 2015; Wijeakumar, Shahani, Simpson, & McCulloch, 2012; Wijeakumar, Shahani, McCulloch, & Simpson, 2012; Rowland, Hartley, & Wiggins, 2018)。另外與其他腦成像方法相比, 在fNIRS實(shí)驗(yàn)中, 被試可以以自然的姿勢(shì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 即可以在一個(gè)更自然和低限制的條件下記錄大腦皮層的血氧代謝活動(dòng), 使得在采用fNIRS方法的研究具有更高的生態(tài)效度(劉寶根, 周兢, 李菲菲, 2011)。

根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論(Paas & Sweller, 2012), 從像素掩蔽、字母碎片掩蔽到字母掩蔽, 其需要的加工負(fù)荷依次增加, 在大腦皮層激活模式上, 表現(xiàn)為皮層激活范圍擴(kuò)大, 激活水平提高。Durantin等人(2014, 2016)、Herrmann等人(2016)認(rèn)為, 行為指標(biāo)與加工負(fù)荷呈負(fù)相關(guān), 大腦皮層血氧變化與加工負(fù)荷存在正相關(guān)。結(jié)合Gao等人(2017)和Rabaglia等人(2016)研究的結(jié)果, 本研究提出以下三項(xiàng)研究假設(shè)：(1)從能量掩蔽到信息掩蔽的轉(zhuǎn)變, 形成認(rèn)知加工負(fù)載的提高, 進(jìn)而造成被試對(duì)目標(biāo)識(shí)別的正確率呈顯著下降的趨勢(shì)。這一假設(shè)符合Mattys等人(2009)的研究發(fā)現(xiàn), 即能量掩蔽對(duì)目標(biāo)的干擾發(fā)生在視網(wǎng)膜水平, 因此不需要太多的中樞加工負(fù)載, 而信息掩蔽發(fā)生在認(rèn)知加工階段, 需要占用中樞加工負(fù)載。(2)由于中樞加工負(fù)載的不同, 能量掩蔽條件下的視覺(jué)皮層激活模式與信息掩蔽條件下的視覺(jué)皮層激活模式存在顯著差異。Gao等人(2017)認(rèn)為, 字母碎片掩蔽條件下僅僅保持了碎片的知覺(jué)信息, 而字母掩蔽條件下的掩蔽刺激得到識(shí)別并激活了語(yǔ)義信息。(3)受到刺激類型與目標(biāo)刺激關(guān)系的影響, 信息掩蔽又可以進(jìn)一步分為知覺(jué)信息掩蔽(如字母碎片掩蔽)和認(rèn)知信息掩蔽(如字母掩蔽), 而且在這兩種掩蔽機(jī)制下的大腦激活模式存在顯著差異。

2 方法

2.1 被試

隨機(jī)招募23名在校大學(xué)生為被試, 其中女生17人, 男生6人。年齡在19~25歲之間(22.3 ± 1.69)。所有被試均為右利手, 視力或矯正視力正常, 無(wú)色盲、色弱等眼疾; 無(wú)腦損傷、精神病史。所有被試填寫(xiě)知情同意書(shū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后有一定的報(bào)酬。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

使用日本島津公司生產(chǎn)的LABNIRS功能性近紅外腦成像儀(LABNIRS/16, Shimadzu Corporation, Kyoto, Japan)。該成像儀采用三波長(zhǎng)(780 nm、805 nm、830 nm)的近紅外線半導(dǎo)體激光(安全等級(jí)為IED-60825-1標(biāo)準(zhǔn)下的1M級(jí)), 根據(jù)修訂后的比爾?郎伯(吸收)定律(modified Beer-Lambert law, MBLL)得到探測(cè)區(qū)域下氧合血紅蛋白濃度(HbO)、脫氧血紅蛋白濃度(HbR)、總血紅蛋白濃度(HbT)的變化, 本研究中儀器的采樣率為11.11 Hz。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料

目標(biāo)刺激是位于菱形頂點(diǎn)對(duì)稱呈現(xiàn)的四個(gè)英文字母(字體為T(mén)imes New Roman, 字號(hào)為24 points), 見(jiàn)圖1。左右呈現(xiàn)的字母所在的正方形邊長(zhǎng)為13.3度(10.5 cm), 沿著水平軸或垂直軸分布的兩個(gè)字母距離4.0度。其中, 四個(gè)字母或者都相同, 或者有一個(gè)字母不同于其他三個(gè)。目標(biāo)字母較掩蔽刺激的像素亮度低了10個(gè)單元。字母放置于統(tǒng)一的灰色背景下, 其像素亮度為127 (33 cd/m), 每個(gè)字母的像素亮度設(shè)置為77個(gè)像素值, 使得字母看起來(lái)比背景深。所有目標(biāo)刺激是用噪音掩蔽的目標(biāo)信號(hào), 參照前人的研究(Gao et al., 2017), 實(shí)驗(yàn)中采用的掩蔽刺激分為三種：字母掩蔽, 字母碎片掩蔽和像素掩蔽(見(jiàn)圖2)。同時(shí), 對(duì)三種掩蔽材料的視覺(jué)物理特征進(jìn)行了分析, 結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖1 無(wú)掩蔽噪音的刺激樣例(僅有目標(biāo)刺激)

圖2 不同類型掩蔽刺激樣例

圖3 不同類型掩蔽刺激的視覺(jué)物理特征分析

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)為單因素三水平(掩蔽類型：字母掩蔽、字母碎片掩蔽、像素掩蔽)被試內(nèi)設(shè)計(jì)。因變量為被試的目標(biāo)識(shí)別正確率和氧合血紅蛋白(HbO)濃度的相對(duì)變化量。已有研究發(fā)現(xiàn), HbO指標(biāo)對(duì)任務(wù)刺激的變化更加敏感(Hoshi, Kobayashi, & Tamura, 2001)。

2.5 實(shí)驗(yàn)程序

刺激呈現(xiàn)通過(guò)E-prime軟件來(lái)控制, 屏幕的背景顏色為黑色(RGB值：0, 0, 0)。實(shí)驗(yàn)安排在具備隔音、勻光的近紅外光學(xué)腦成像專用實(shí)驗(yàn)室中。正式實(shí)驗(yàn)共有3個(gè)處理水平, 每個(gè)處理水平包含5個(gè)組塊, 每個(gè)組塊包含8個(gè)試次, 每?jī)蓚€(gè)組塊之間靜息20秒。一個(gè)試次的完整流程見(jiàn)圖4所示, 首先在平面中心呈現(xiàn)一個(gè)注視點(diǎn), 此時(shí)被試需要把注意集中在注視點(diǎn)上, 500 ms后呈現(xiàn)刺激, 呈現(xiàn)時(shí)間為2000 ms, 被試在此期間進(jìn)行按鍵反應(yīng)。不同處理?xiàng)l件按照組塊進(jìn)行了隨機(jī)。

實(shí)驗(yàn)中, 被試坐在屏幕前舒適的椅子上, 且下巴固定在下巴托上以此保證每個(gè)被試眼睛距屏幕中心的距離為45 cm。被試左手食指與右手食指分別放于F、J鍵上。被試的任務(wù)是判斷所呈現(xiàn)的目標(biāo)刺激中四個(gè)字母是否相同, 盡量又準(zhǔn)又快地按鍵; 若含有不同字母則按F鍵, 若四個(gè)字母都相同則按J鍵。正式實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了20個(gè)試次的練習(xí), 以便熟悉流程。

圖4 一個(gè)試次的呈現(xiàn)過(guò)程

2.6 探頭布置

使用4×5的多通道探頭板, 由10個(gè)發(fā)射器和10個(gè)探測(cè)器組成, 探頭間距為3 cm, 構(gòu)成31個(gè)通道。由于視覺(jué)搜索任務(wù)的主要激活腦區(qū)在枕葉視覺(jué)區(qū), 因此參照前人(Cai et al., 2017; Tsubomi et al., 2009)研究的探頭布局方法, 根據(jù)國(guó)際10-10腦電系統(tǒng)安置探頭, 將帽子中線與CZ-OZ線重合, 并將最低端處于中間位置的探頭與枕骨隆突重合, 覆蓋頂枕聯(lián)合區(qū)(見(jiàn)圖5)。fNIRS記錄結(jié)束后, 使用3D定位儀(FASTRAK, Polhemus, Colchester, VT, USA)確定Cz、Nz、AL、AR點(diǎn)及探頭位置。通過(guò)概率配準(zhǔn)方法把fNIRS通道位置與MNI空間坐標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn), 獲得與布魯?shù)侣謪^(qū)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表1列出的通道定位區(qū)域?yàn)樵撏ǖ栏采w概率最大的區(qū)域。

圖5 fNIRS通道布局

表1 通道布局與布魯?shù)侣謪^(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.7 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素三水平重復(fù)測(cè)量方差分析檢驗(yàn)。近紅外的腦血氧數(shù)據(jù)使用基于Matlab運(yùn)行的NIRS_SPM軟件(Ye, Tak, Jang, Jung, & Jang, 2009)處理功能性近紅外腦成像的血氧變化信號(hào)。NIRS_SPM是Matlab的一個(gè)插件, 它主要是基于一般線性模型(General Linear Model, GLM)來(lái)分析fNIRS數(shù)據(jù)。

首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。根據(jù)血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)函數(shù)(Hemodynamic Response Functions, HRF)和Wavelet-MDL方法(Jang et al., 2009)排除掉噪聲(頭動(dòng)、心跳、呼吸等)和漂移, 這兩種方法已在相關(guān)研究中得到證明(Brigadoi et al., 2014), 被認(rèn)為是去噪效果相對(duì)較好的方法。在近紅外實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 由于被試的頭動(dòng)、血管運(yùn)動(dòng)、血壓變化、生理變化或儀器不穩(wěn)定等會(huì)存在全局漂移的問(wèn)題, 造成低頻偏差。此外, 全局漂移的幅度通常與大腦激活過(guò)程的信號(hào)幅度相當(dāng)。為了消除全局趨勢(shì)并提高信噪比, 本研究采用基于小波最小描述長(zhǎng)度(Wavelet_MDL) (Jang et al., 2009)算法去趨勢(shì)。具體來(lái)說(shuō), 利用小波變換將近紅外測(cè)量數(shù)據(jù)分解為不同尺度下的全局趨勢(shì)、血液動(dòng)力學(xué)信號(hào)和不相關(guān)噪聲分量。同時(shí), 為了防止對(duì)全局趨勢(shì)估計(jì)的過(guò)擬合或欠擬合, 采用了最小描述長(zhǎng)度(MDL)原則。此外, 本研究選擇Precoloring方法(Worsley & Friston, 1995), 其核函數(shù)可采用高斯濾波器或HRF (血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)函數(shù))低通濾波器。本文使用的HRF濾波器是近紅外光譜數(shù)據(jù)的首選濾波器, 因?yàn)镠RF的傳遞函數(shù)是基于神經(jīng)元信號(hào)建模的頻率(Ye et al., 2009), 可去除由儀器產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲以及心率、呼吸等引起的生理噪聲。通過(guò)上述流程, 共有3名被試的數(shù)據(jù)由于偽跡過(guò)多而被剔除。

然后, 用一般線性模型整合任務(wù)效應(yīng), 用任務(wù)擬合參考波推斷參數(shù)估計(jì)(GLM模型中beta值的權(quán)重)。最后分別對(duì)不同掩蔽類型下獲得的beta值進(jìn)行單樣本檢驗(yàn)、方差分析。使用FDR (false discovery rate)校正所有的值, 校正后< 0.05為顯著(Noble, 2009)。

3 結(jié)果

3.1 目標(biāo)識(shí)別正確率

對(duì)不同掩蔽類型下的識(shí)別正確率進(jìn)行單因素三水平重復(fù)測(cè)量方差分析, 結(jié)果顯示：掩蔽類型主效應(yīng)顯著,(2, 38) = 212.71,< 0.001, η= 0.92。進(jìn)一步Bonferroni校正的事后檢驗(yàn)表明, 像素掩蔽(0.85 ± 0.12)、字母碎片掩蔽(0.51 ± 0.16)和字母掩蔽(0.29 ± 0.11)的平均正確率依次降低, 且兩兩條件之間差異顯著(< 0.001), 被試在像素掩蔽條件下的識(shí)別正確率顯著大于字母碎片掩蔽條件和字母掩蔽條件下的識(shí)別正確率, 在字母碎片條件下的識(shí)別正確率顯著大于字母掩蔽條件(如圖6所示)。這個(gè)結(jié)果表明, 字母掩蔽條件下的掩蔽效應(yīng)最大, 字母碎片掩蔽條件下的掩蔽效應(yīng)次之, 像素掩蔽條件下的掩蔽效應(yīng)最小。

圖6 不同掩蔽條件下被試的目標(biāo)識(shí)別正確率

注：***< 0.001。

3.2 fNIRS結(jié)果

對(duì)不同類型掩蔽下各通道的beta值進(jìn)行單樣本檢驗(yàn), 檢驗(yàn)值為0。根據(jù)各通道的值, 繪制了熱量圖(如圖7所示)。經(jīng)FDR校正, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 像素掩蔽條件下顯著激活的通道有ch24、ch28 (< 0.05), 其余通道都未被顯著激活(> 0.05), 見(jiàn)圖7(a); 字母碎片掩蔽條件下, 顯著激活的通道有ch4、ch15、ch16、ch17、ch20、ch21、ch22、ch24、ch25、ch26、ch27、ch31 (< 0.05), 其余通道都未被顯著激活(> 0.05), 見(jiàn)圖7(b); 字母掩蔽條件下, 顯著激活的通道有ch10、ch15、ch16、ch17、ch20、ch21、ch22、ch24、ch25、ch26、ch27、ch28、ch31 (< 0.05), 其余通道未被顯著激活(> 0.05), 見(jiàn)圖7(c)。這個(gè)結(jié)果表明, 像素掩蔽條件下的激活模式與其它兩種條件(字母碎片掩蔽和字母掩蔽)的激活模式存在很大差異, 而字母碎片掩蔽與字母掩蔽條件下的激活模式基本相同, 都激活了視覺(jué)初級(jí)皮層與視覺(jué)聯(lián)合皮層。

以通道為單位, 對(duì)三種掩蔽條件(像素掩蔽、字母碎片掩蔽、字母掩蔽)下各通道的beta值進(jìn)行單因素三水平的重復(fù)測(cè)量方差分析, 結(jié)果見(jiàn)表2(統(tǒng)計(jì)結(jié)果不顯著的未列出)。經(jīng)FDR校正, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 掩蔽條件主效應(yīng)顯著的通道包括：ch11、ch15、ch17、ch20、ch22、ch25、ch27、ch31 (< 0.05), 其余通道不存在顯著差異(> 0.05), 結(jié)果見(jiàn)圖8。激活的腦區(qū)包括左側(cè)枕上回、枕中回和右側(cè)枕上回、枕中回、枕下回。Bonferroni校正的事后檢驗(yàn)顯示, 字母掩蔽條件下相關(guān)皮層的激活水平顯著高于像素掩蔽條件(見(jiàn)圖9a), 字母碎片掩蔽條件下相關(guān)皮層的激活水平也顯著高于像素掩蔽條件(圖9b); 而字母掩蔽與字母碎片掩蔽下相關(guān)皮層的總體激活程度雖然存在一定差異, 但未達(dá)到顯著水平(> 0.05), 熱量圖表明, 大腦左半球的激活水平高于右半球(見(jiàn)圖9c)。通道分析發(fā)現(xiàn), 在通道2、6、10、24、28、29上, 字母掩蔽條件下的激活水平高于字母碎片掩蔽條件, 主要腦區(qū)是左半球的枕上回、枕中回和枕下回。

圖7 不同掩蔽條件下大腦皮層各通道激活t值熱量圖

表2 不同掩蔽類型條件下重復(fù)測(cè)量方差分析檢驗(yàn)結(jié)果

注：*< 0.05, **< 0.01

圖8 掩蔽類型對(duì)視覺(jué)搜索影響的主效應(yīng)熱量圖

3.3 fNIRS結(jié)果與識(shí)別正確率的相關(guān)

根據(jù)表2中各通道與其對(duì)應(yīng)的布魯?shù)侣謪^(qū)結(jié)果, 將位于視覺(jué)初級(jí)皮層的5個(gè)通道(ch15、17、20、22、25)以及位于視覺(jué)聯(lián)合皮層的3個(gè)通道(ch11、27、31)分別作為興趣區(qū)納入進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析。然后, 對(duì)不同掩蔽類型下8個(gè)顯著激活的通道按照不同興趣區(qū), 對(duì)beta值求平均值。最后, 將平均后的beta值與各掩蔽條件下被試視覺(jué)搜索的目標(biāo)識(shí)別正確率進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析, 結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出, 像素掩蔽條件下, 無(wú)論是視覺(jué)初級(jí)皮層還是視覺(jué)聯(lián)合皮層, 目標(biāo)識(shí)別正確率與fNIRS結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)均不顯著; 字母碎片掩蔽條件下, 位于視覺(jué)初級(jí)皮層區(qū)域的通道22上的目標(biāo)識(shí)別正確率與fNIRS結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)顯著,= 0.473, 其他通道二者的相關(guān)系數(shù)不顯著; 字母掩蔽條件下, 視覺(jué)聯(lián)合皮層的通道31上的目標(biāo)識(shí)別正確率與fNIRS結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)顯著,= ?0.478, 其他通道二者的相關(guān)系數(shù)不顯著。

4 討論

本研究采用近紅外光學(xué)腦成像技術(shù)考察了不同掩蔽條件下被試進(jìn)行目標(biāo)搜索時(shí)的行為反應(yīng)與大腦視覺(jué)皮層血氧濃度變化模式。目標(biāo)識(shí)別正確率表明, 像素掩蔽條件下的目標(biāo)識(shí)別正確率顯著高于字母掩蔽與字母碎片掩蔽條件, 這與前人研究結(jié)果一致(Gao et al., 2017; Mattys et al., 2009; Rabaglia et al., 2016), 再次證明像素掩蔽的掩蔽效應(yīng)顯著小于字母掩蔽與字母碎片掩蔽的掩蔽效應(yīng)。同時(shí)血氧濃度指標(biāo)表明, 皮層激活強(qiáng)度反映出不同類型掩蔽刺激影響目標(biāo)識(shí)別過(guò)程, 具體表現(xiàn)為從像素掩蔽到字母碎片掩蔽、再到字母掩蔽, 隨著目標(biāo)與掩蔽刺激在物理、知覺(jué)、認(rèn)知水平上相似性的增大, 視覺(jué)皮層的激活水平隨之升高、激活范圍也隨之?dāng)U大。其中, 字母掩蔽條件下的視覺(jué)初級(jí)皮層和視覺(jué)聯(lián)合皮層的激活水平顯著高于像素掩蔽條件下對(duì)應(yīng)腦區(qū)的激活水平。結(jié)合目標(biāo)識(shí)別正確率結(jié)果與血氧濃度變化情況可以推斷出, 不同類型掩蔽刺激對(duì)被試的目標(biāo)搜索過(guò)程產(chǎn)生不同的掩蔽效應(yīng)。

圖9 視覺(jué)搜索任務(wù)下不同類型掩蔽刺激的兩兩對(duì)比熱量圖

表3 被試識(shí)別正確率與fNIRS數(shù)據(jù)的相關(guān)(n = 20)

注：*< 0.05

對(duì)血氧濃度進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn), 字母掩蔽和字母碎片掩蔽條件下視覺(jué)初級(jí)皮層和視覺(jué)聯(lián)合皮層的大部分區(qū)域都顯著激活, 而在像素掩蔽條件下, 只有少部分的視覺(jué)初級(jí)皮層和視覺(jué)聯(lián)合皮層顯著激活。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn), 與像素掩蔽條件相比, 字母掩蔽和字母碎片掩蔽條件下, 被試的左側(cè)枕上回、枕中回和右側(cè)枕上回、枕中回、枕下回都表現(xiàn)出顯著的激活, 這與已有類似研究的結(jié)果一致(Mattys et al., 2009), 表明能量掩蔽與信息掩蔽的腦激活模式存在很大差異。進(jìn)一步對(duì)比字母掩蔽、字母碎片掩蔽兩種條件下的激活區(qū)域可以發(fā)現(xiàn), 二者的激活區(qū)域存在較大范圍的重疊, 這說(shuō)明兩種類型掩蔽刺激的引起的皮層激活模式高度相似。進(jìn)一步的二者之間對(duì)比發(fā)現(xiàn), 字母掩蔽條件下的皮層激活范圍和水平高于字母碎片掩蔽條件, 雖未達(dá)到顯著性水平, 但依然有一定借鑒意義, 關(guān)于這種差異的解釋, 存在兩種不同的觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為, 字母掩蔽與字母碎片掩蔽均屬于信息掩蔽, 因此二者的掩蔽效果應(yīng)該無(wú)差異; 如果結(jié)果存在差異, 那么可能是二者在特征整合階段的加工差異導(dǎo)致的(Chubb, Olzak, & Derrington, 2001; Pelli, Palomares, & Majaj, 2004)。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為, 字母掩蔽與字母碎片掩蔽雖然都屬于信息掩蔽, 但相比于字母碎片掩蔽, 字母掩蔽的基本構(gòu)成單位是完整字母, 具有完整的信息, 可能會(huì)誘發(fā)語(yǔ)義層面的加工, 因此造成二者的掩蔽效果存在顯著差異(Gao et al., 2017)。

Gao等人(2017)認(rèn)為, 字母掩蔽對(duì)目標(biāo)的影響發(fā)生在更高級(jí)的認(rèn)知加工階段, 而字母碎片掩蔽對(duì)目標(biāo)的影響發(fā)生在特征整合階段。本研究中, 視覺(jué)皮層的血氧濃度變化模式表明, 字母掩蔽與字母碎片掩蔽對(duì)目標(biāo)加工影響的大腦皮層激活模式在存在很大相似性的同時(shí), 仍可以看出字母掩蔽條件下的皮層激活水平存在大于字母碎片掩蔽條件的趨勢(shì), 這種差異在一定程度上與行為結(jié)果相呼應(yīng), 說(shuō)明字母掩蔽與字母碎片掩蔽作為信息掩蔽, 既存在共性的加工機(jī)制也存在刺激特異性的機(jī)制。進(jìn)一步對(duì)比字母掩蔽與字母碎片掩蔽條件下的皮層血氧變化發(fā)現(xiàn), 字母掩蔽條件下, 大腦左半球的部分視覺(jué)聯(lián)合皮層區(qū)域的腦激活水平更高。已有研究證明, 枕葉皮層與語(yǔ)義、詞匯加工存在一定的相關(guān)(Simons, Koutstaal, Prince, Wagner, & Schacter, 2003)。另外, 本研究的被試均為右利手, 其語(yǔ)言加工存在左半球優(yōu)勢(shì)效應(yīng)(Lane et al., 2017)。因此, 字母掩蔽條件下表現(xiàn)出的左半球偏側(cè)化高度激活可能反映了在視覺(jué)搜索加工過(guò)程中, 字母掩蔽出現(xiàn)了語(yǔ)義水平的加工, 這說(shuō)明字母掩蔽與字母碎片掩蔽的掩蔽效應(yīng)的機(jī)制不同, 其產(chǎn)生階段也存在差異。

對(duì)字母掩蔽與字母碎片掩蔽之間差異的另一種可能解釋是, 相比于字母碎片掩蔽, 字母掩蔽條件下被試還需對(duì)字母進(jìn)行知覺(jué)(意義)層面上的整合, 并表征為整體, 這種完形加工傾向可能需要消耗更多的資源對(duì)掩蔽刺激進(jìn)行加工, 因此視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別會(huì)受到個(gè)體對(duì)掩蔽字母知覺(jué)整合的影響, 這種整合的結(jié)果表現(xiàn)為認(rèn)知負(fù)荷的增高(Lavie, Hirst, de Fockert, & Viding, 2004; Durantin, et al., 2014)。在字母碎片掩蔽條件下, 被試無(wú)需對(duì)掩蔽刺激進(jìn)行知覺(jué)整合, 因而對(duì)認(rèn)知資源的需求也比較少, 表現(xiàn)為字母碎片掩蔽條件下被試的大腦皮層激活的范圍小、激活水平低。

視覺(jué)皮層的血氧變化情況與目標(biāo)識(shí)別正確率之間的相關(guān)分析進(jìn)一步證實(shí)了字母碎片掩蔽與字母掩蔽的腦激活模式差異。已有研究表明, 雖然視覺(jué)初級(jí)皮層和視覺(jué)聯(lián)合皮層都涉及到對(duì)視覺(jué)信息的加工, 但它們與不同的認(rèn)知功能有關(guān), 例如, 視覺(jué)信息的知覺(jué)整合加工更多地與視覺(jué)初級(jí)皮層有關(guān)(Kok, de Lange, & Floris, 2014), 視覺(jué)信息的語(yǔ)義加工更多地與視覺(jué)聯(lián)合皮層有關(guān)(Bonner et al., 2009)。本研究發(fā)現(xiàn), 在字母碎片掩蔽條件下, 視覺(jué)初級(jí)皮層部分區(qū)域的激活水平與行為成績(jī)的相關(guān)顯著, 而視覺(jué)聯(lián)合皮層與行為成績(jī)的相關(guān)不顯著, 說(shuō)明字母碎片掩蔽條件下的掩蔽效果更多地與視覺(jué)初級(jí)皮層的激活有關(guān), 主要對(duì)字母碎片進(jìn)行特征分析, 因而激活了與知覺(jué)特征分析加工相關(guān)的視覺(jué)初級(jí)皮層。字母掩蔽條件下, 視覺(jué)聯(lián)合皮層部分區(qū)域的激活水平與行為成績(jī)的相關(guān)顯著, 而視覺(jué)初級(jí)皮層與行為成績(jī)的相關(guān)不顯著, 說(shuō)明字母掩蔽條件下的掩蔽效果更多地與視覺(jué)聯(lián)合皮層的整合加工的激活有關(guān)。目標(biāo)刺激與掩蔽刺激均為攜帶語(yǔ)義信息的字母, 為此被試在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行加工判斷時(shí)也受到同為字母的掩蔽刺激的語(yǔ)義加工的影響, 因而激活了與語(yǔ)義加工相關(guān)的視覺(jué)聯(lián)合皮層。因此, 這進(jìn)一步說(shuō)明信息掩蔽中的字母掩蔽和字母碎片掩蔽的掩蔽作用的大腦皮層中樞存在差異。

對(duì)于字母掩蔽和字母碎片掩蔽兩種條件下的部分視覺(jué)皮層激活水平差異不顯著, 可能原因是字母掩蔽與字母碎片掩蔽的信息量差異對(duì)于漢語(yǔ)母語(yǔ)的被試來(lái)說(shuō)達(dá)不到差異。已有研究表明, 漢字與漢字碎片攜帶的信息對(duì)被試的認(rèn)知資源的需求存在著較大差異(Yan et al., 2012), 因此, 對(duì)于漢語(yǔ)為母語(yǔ)的被試來(lái)說(shuō), 他們對(duì)漢字或漢字碎片更為敏感, 而對(duì)英文字母和字母碎片的敏感性較低, 從而導(dǎo)致視覺(jué)皮層激活差異不顯著。隨后的研究應(yīng)豐富信息掩蔽的類型(比如漢字碎片), 進(jìn)一步探討掩蔽對(duì)視覺(jué)搜索的影響。

5 結(jié)論

本研究使用fNIRS技術(shù)探討不同類型掩蔽對(duì)目標(biāo)識(shí)別影響的大腦皮層激活模式, 研究表明：與相同條件下的能量掩蔽相比, 信息掩蔽對(duì)視覺(jué)搜索有更大的干擾作用, 并在初級(jí)和二級(jí)視覺(jué)皮層引發(fā)更大的加工負(fù)載。并且, 不同類型信息掩蔽的掩蔽效果差異也體現(xiàn)在初級(jí)視覺(jué)皮層和視覺(jué)聯(lián)合皮層的激活模式上, 即字母掩蔽和字母碎片掩蔽的掩蔽作用在大腦皮層上所造成的加工負(fù)載存在差異。

Breitmeyer, B. G. (2008). Visual masking: Past accomplishments, present status, future developments.(1-2), 9–20. doi:10. 2478/v10053-008-0010-7

Brigadoi, S., Ceccherini, L., Cutini, S., Scarpa, F., Scatturin, P., Selb, J., … Cooper, R. J. (2014). Motion artifacts in functional near-infrared spectroscopy: A comparison of motion correction techniques applied to real cognitive data.(1), 181–191. doi:10.1016/j.neuroimage. 2013.04.082

Bonner, M. F., Vesely, L., Price, C., Anderson, C., Richmond, L., Farag, C., ... Grossman, M. (2009). Reversal of the concreteness effect in semantic dementia.(6), 568–579. doi: 10.1080/ 02643290903512305

Cai, T. T., Zhu, H. L., Xu, J., Wu, S. J., Li, X. G., & He, S. L. (2017). Human cortical neural correlates of visual fatigue during binocular depth perception: An fNIRS study.(2)1–16. doi: 10.1371/journal.pone.0172426

Calvert, G. A., & Thesen, T. (2004). Multisensory integration: methodological approaches and emerging principles in the human brain.(1-3), 191–205. doi: 10.1016/j.jphysparis.2004.03.018

Chen, M. L. (2012).(Unpublished master's thesis). Peking University.

[陳明立. (2012).(碩士學(xué)位論文). 北京大學(xué).]

Chen, M. L., Zhang, C. X., Yang, S. J., Mao, L. H., Tian, Y. H., Huang, T. J., … Li, L. (2012). Stereopsis-based binocular unmasking.(9), 1355–1363.

[陳明立, 張暢芯, 楊少娟, 毛利華, 田永鴻, 黃鐵軍, …李量. (2012). 基于雙眼視差的立體視覺(jué)去掩蔽效應(yīng).,(9), 1355–1363.]

Chubb, C., Olzak, L., & Derrington, A. (2001). Second-order processes in vision: Introduction.(9)2175–2178. doi:10.1364/josaa. 18.002175

Durantin, G., Gagnon, J. -F., Tremblay, S., & Dehais, F. (2014). Using near infrared spectroscopy and heart rate variability to detect mental overload., 16–23. doi:10.1016/j.bbr.2013.10.042

Durantin, G., Scannella, S., Gateau, T., Delorme, A., & Dehais, F. (2016). Processing functional near infrared spectroscopy signal with a Kalman filter to assess working memory during simulated flight.707. doi:10.3389/fnhum.2015.00707

Fahrenfort, J. J., Scholte, H. S., & Lamme, V. A. F. (2007). Masking disrupts reentrant processing in human visual cortex.(9)1488–1497. doi:10.1162/jocn.2007.19.9.1488

Gao, Y. Y., Schneider, B., & Li, L. (2017). The effects of the binocular disparity differences between targets and maskers on visual search.(2), 459–472. doi:10.3758/s13414-016-1252-y

Herrmann, M. J., Neueder, D., Troeller, A. K., & Schulz, S. M. (2016). Simultaneous recording of EEG and fNIRS during visuo-spatial and facial expression processing in a dual task paradigm., 21–28. doi:10.1016/j.ijpsycho.2016.09.013

Hoshi, Y., Kobayashi, N., & Tamura, M. (2001). Interpretation of near-infrared spectroscopy signals: A study with a newly developed perfused rat brain model.(5), 1657–1662. doi:10.1152/jappl.2001. 90.5.1657

Jang, K. E., Tak, S., Jung, J., Jang, J., Yong, J., & Ye, J. C. (2009). Wavelet minimum description length detrending for near-infrared spectroscopy.(3), 1–13. doi: 10.1117/1.3127204

Kok, P., & de Lange, Floris P. (2014). Shape perception simultaneously up- and downregulates neural activity in the primary visual cortex.(13), 1531–1535. doi:https://doi.org/10.1016/j.cub.2014.05.042

Lane, C., Kanjlia, S., Richardson, H., Fulton, A., Omaki, A., & Bedny, M. (2017). Reduced left lateralization of language in congenitally blind individuals.(1), 65–78. doi:10.1162/jocn_a_01045

Lavie, N., Hirst, A., de Fockert, J. W., & Viding, E. (2004). Load theory of selective attention and cognitive control.(3), 339-354. doi: 10.1037/0096-3445.133.3.339

Liu, B. G., Zhou, J., & Li, F. F. (2011). Functional near-infrared spectroscopy: An emerging functional neuroimaging technology.(4), 943–949.

[劉寶根, 周兢, 李菲菲. (2011). 腦功能成像的新方法——功能性近紅外光譜技術(shù)(fNIRS).(4), 943–949.]

Mattys, S. L., Brooks, J., & Cooke, M. (2009). Recognizing speech under a processing load: Dissociating energetic from informational factors.(3), 203–243. doi:10.1016/j.cogpsych.2009.04.001

McIntosh, M. A., Shahani, U., Boulton, R. G., & McCulloch, D. L. (2010). Absolute quantification of oxygenated hemoglobin within the visual cortex with functional near infrared spectroscopy (fNIRS).4856–4860. doi:10.1167/iovs.09-4940

Noble, W. S. (2009). How does multiple testing correction work?, 1135-1137. doi:10.1038/ nbt1209-1135

Paas, F., & Sweller, J. (2012). An evolutionary upgrade of cognitive load theory: Using the human motor system and collaboration to support the learning of complex cognitive tasks.(1)27–45. doi:10.1007/s10648-011-9179-2

Pelli, D. G., Palomares, M., & Majaj, N. J. (2004). Crowding is unlike ordinary masking: Distinguishing feature integration from detection.(12)1136–1169. doi:10.1167/4.12.12

Rabaglia, C. D., & Schneider, B. A. (2016). Age-related inhibitory deficit, or lack of familiarity benefit? Evidence from letter identification among visual distractors.(2), 542–565. doi:10.3758/s13414-015-1009-z

Rowland, S. C., Hartley, D. E. H., & Wiggins, I. M. (2018). Listening in naturalistic scenes: What can functional near-infrared spectroscopy and intersubject correlation analysis tell us about the underlying brain activity?. doi:10.1177/2331216518804116

Simons, J. S., Koutstaal, W., Prince, S., Wagner, A. D., & Schacter, D. L. (2003). Neural mechanisms of visual object priming: Evidence for perceptual and semantic distinctions in fusiform cortex.(3), 613–626. doi:10. 1016/s1053-8119(03)00096-x

Tse, P. U., Martinez-Conde, S., Schlegel, A. A., & Macknik, S. L. (2005). Visibility, visual awareness, and visual masking of simple unattended targets are confined to areas in the occipital cortex beyond human V1/V2.(47), 17178–17183. doi:10.1073/pnas. 0508010102

Tsubomi, H., Ikeda, T., Hanakawa, T., Hirose, N., Fukuyama, H., & Osaka, N. (2009). Connectivity and signal intensity in the parieto-occipital cortex predicts top-down attentional effect in visual masking: An fMRI study based on individual differences.(2), 587–597. doi:https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2008.11.028

Ward, L. M., Aitchison, R. T., Tawse, M., Simmers, A. J., & Shahani, U. (2015). Reduced haemodynamic response in the ageing visual cortex measured by absolute fNIRS.1–16. doi:10.1371/journal.pone.0125012

Wardle, S. G., Cass, J., Brooks, K. R., & Alais, D. (2010). Breaking camouflage: Binocular disparity reduces contrast masking in natural images.(14), 1–12. doi:10.1167/10.14.38

Wijeakumar, S., Shahani, U., McCulloch, D. L., & Simpson, W. A. (2012). Neural and vascular responses to fused binocular stimuli: A VEP and fNIRS study.(9), 5881–5889. doi:10.1167/iovs.12-10399

Wijeakumar, S., Shahani, U., Simpson, W. A., & McCulloch, D. L. (2012). Localization of hemodynamic responses to simple visual stimulation: An fNIRS study.(4)2266–2273. doi:10.1167/iovs.11-8680

Worsley, K. J., Friston, K. J. (1995). Analysis of fMRI time-series revisited - Again.(3), 173–181. doi:10.1006/nimg.1995.1023

Yan, G. L., Bai, X. J., Zang, C. L., Bian, Q., Cui, L., Wei, Q., … Liversedge, S. P. (2012). Using stroke removal to investigate Chinese character identification during reading: Evidence from eye movemwnts.(5), 951–979. doi:10.1007/s11145-011-9295-x

Yang, Z. G., Zhang, T. T., Song, Y. W., & Li, L. (2014). The subcomponents of informational masking: Evidence from behavioral and neural imaging studies.(3), 400–408.

[楊志剛, 張亭亭, 宋耀武, 李量. (2014). 聽(tīng)覺(jué)信息掩蔽的亞成分：基于行為和腦成像研究的證明.(3), 400–408.]

Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., & Jang, J. (2009). NIRS-SPM: Statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy.(2), 428–447. doi:10.1016/j.neuroimage.2008.08.036

The role of masking stimulation in target recognition processing: Evidence from fNIRS

YANG Haibo; LIU Hejun; ZHANG Peng; LI Liang

(Key Research Base of Humanities and Social Sciences of the Ministry of Education, Academy of Psychology and Behavior, Tianjin Normal University, Tianjin 300074, China) (Faculty of Psychology, Tianjin Normal University, Tianjin 300387, China) (Center of Collaborative Innovation for Assessment and Promotion of Mental Health, Tianjin 300074, China) (School of Psychological and Cognitive Sciences, Peking University, Beijing 100080, China)

When our visual system processes target signals, it usually receives large amounts of irrelevant information from the target, leading to a reduction in the visibility of the target. A wealth of research has shown that visual search for target letters against a masking background is largely determined by the masker type. Informational maskers, such as either randomly positioned and oriented letters or randomly distributed letter fragments, induce stronger masking effects on recognition of target letters than the energetic maskers do, such as the random-phase masker (same spectral amplitude composition as the letter masker but with the phase spectrum randomized) or the random-pixel masker (the locations of the letter maskers’ pixel amplitudes being randomized). However, the mechanisms under informational masking and those under energetic masking are still unknown.

The current study examined both cortical activities and behavioral performances in the visual search task, which is determined by whether one of four letters presented at four symmetrically-located positions differs from the others under three masking conditions (random pixels, letter fragments, and random letters). Both the oxygenated hemoglobin concentration (HbO) responses in the primary visual cortex (V1) and secondary visual cortex (V2) with a functional near infrared spectroscopy (fNIRS) were recorded. Twenty (4 males, 16 females) healthy adults (mean age: 22.5 ± 1.67 years) participated in the experiment. Each masking condition contained 5 blocks, and each block contained 8 trails. There was a resting phase of 20 seconds between the two blocks. Spatial registration methods were applied to localize the cortical regions underneath each channel and to define two regions of interest (ROIs), which are the primary visual cortex (V1) and secondary visual cortex (V2).

The behavioral results showed that the performance of recognizing target letters improved when the masker type shifted from random letters to letter fragments and to random pixels, suggesting that the letter masker interfered the most with performance than the letter fragment and random-pixel maskers. The random-pixel masker caused the least masking effect. The fNIRS results showed that both letter masker and letter-fragment masker produced an increase in cortical oxygen level. Many regions of interest (ROIs), particularly the visual cortex (including V1 and V2), were more activated under the letter or the letter-fragment masking condition compared to the random-pixel masking condition. Moreover, the differences in cortical activation between the masking conditions further suggested that the V1 and V2 are the critical brain regions involved in visual letter search and informational masking of letter recognition.

To summarize, this study used fNIRS to explore the cortex activation patterns of different types of masking on target recognition. The results showed that information masking had much more interference on visual search and caused greater processing loads in primary and secondary visual cortex, compared with energy masking under the same conditions. Furthermore, the differences between letter fragments masking and letters masking are reflected in the activation mode of V1 and V2 regions.

visual masking; visual research; functional near infrared spectroscopy (fNIRS); parietal-occipital cortices

2018-10-08

* 全國(guó)教育科學(xué)規(guī)劃教育部重點(diǎn)課題“創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙中學(xué)生注意偏向的心理機(jī)制研究” (DBA150235)。

李量, E-mail: liangli@pku.edu.cn

B842

10.3724/SP.J.1041.2019.01187