基于眼動(dòng)和腦電的心理旋轉(zhuǎn)認(rèn)知機(jī)制研究.pdf

1、空間認(rèn)知能力是人類最基本的認(rèn)知能力之一，尤其在一些特殊的職業(yè)中，比如飛行員、航天員，以及近年受到廣泛關(guān)注的無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。空間視覺化作為空間認(rèn)知能力的一個(gè)維度，在這些特殊職業(yè)的人員選拔中具有重要作用。心理旋轉(zhuǎn)測(cè)試是空間視覺化的經(jīng)典研究范式，可有效預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)人的空間視覺能力。從上世紀(jì)70年代開始，Shepard等人開始對(duì)心理旋轉(zhuǎn)進(jìn)行研究，隨著研究的不斷深入，人們?cè)絹碓疥P(guān)注心理旋轉(zhuǎn)加工過程的高級(jí)認(rèn)知功能。眼動(dòng)追蹤和神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為心

2、理旋轉(zhuǎn)等認(rèn)知過程的研究提供了更多手段，因此越來越多的研究人員將這些技術(shù)相結(jié)合，對(duì)心理旋轉(zhuǎn)等認(rèn)知任務(wù)進(jìn)行多角度、多維度綜合研究。
　　本研究首先建立眼動(dòng)與腦電的同步平臺(tái)，評(píng)估了各同步方法的時(shí)間精度，并提出了同步平臺(tái)時(shí)鐘偏移的校準(zhǔn)方法；考察了三維圖形心理旋轉(zhuǎn)加工的影響因素，分析了各眼動(dòng)指標(biāo)與反應(yīng)時(shí)和各影響因素的相關(guān)性，初步揭示了心理旋轉(zhuǎn)的加工過程；使用眼動(dòng)和腦電的同步技術(shù)進(jìn)一步探究心理旋轉(zhuǎn)的認(rèn)知過程和腦機(jī)制；通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的方式對(duì)不

3、同的心理旋轉(zhuǎn)策略進(jìn)行預(yù)測(cè)，并揭示了三維圖形心理旋轉(zhuǎn)所包含的加工過程和狀態(tài)。本文的主要研究?jī)?nèi)容、研究結(jié)果和研究結(jié)論如下：
　　(1)眼動(dòng)與腦電同步平臺(tái)的建立及其時(shí)間精度研究
　　建立眼動(dòng)與腦電的同步平臺(tái)，根據(jù)所用儀器的自身特性實(shí)現(xiàn)了四種同步方法，評(píng)估各同步方法的時(shí)間精度。結(jié)果表明，Tobii眼動(dòng)儀通過直接調(diào)用SDK開發(fā)包實(shí)現(xiàn)眼動(dòng)和腦電同步的方法的時(shí)間精度最高，在累積時(shí)間誤差和周期時(shí)間誤差兩個(gè)水平上均能降低到10ms的量級(jí)，適用

4、于很多其他眼動(dòng)與腦電的同步研究，同時(shí)提出了同步平臺(tái)時(shí)鐘偏移的校準(zhǔn)方法供同行參考。
　　(2)心理旋轉(zhuǎn)認(rèn)知加工的行為學(xué)和眼動(dòng)特征研究
　　對(duì)Shepard三維圖形心理旋轉(zhuǎn)研究增加了像素水平，即三維圖形的平面投影面積這一影響因素，考察像素水平的高低對(duì)被試的心理旋轉(zhuǎn)加工的影響；除了對(duì)反應(yīng)時(shí)和準(zhǔn)確率等行為學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析外，還增加了對(duì)各眼動(dòng)指標(biāo)與不同影響因素和行為學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性分析，從一維眼動(dòng)參數(shù)中初步獲得心理旋轉(zhuǎn)加工的特征和模式

5、。結(jié)果表明，心理旋轉(zhuǎn)的反應(yīng)時(shí)與角度差呈顯著正相關(guān)，這與以往的研究結(jié)論一致；此外，對(duì)圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的圖形比圍繞X軸旋轉(zhuǎn)的圖形的加工的反應(yīng)時(shí)更短，對(duì)相同圖形比鏡像圖形的加工的反應(yīng)時(shí)更短，說明被試對(duì)圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的圖形和相同圖形的加工速度更快；此外還發(fā)現(xiàn)，像素水平越高，即平面投影面積越大，反應(yīng)時(shí)越短，說明投影面積大、視角大的圖形的加工難度更低，被試的認(rèn)知加工速度更快；此外，眼動(dòng)參數(shù)中的注視次數(shù)、總注視時(shí)間、總眼跳時(shí)間與反應(yīng)時(shí)有顯著相關(guān)性；通過對(duì)注

6、視點(diǎn)分布模式的分析，發(fā)現(xiàn)三維圖形存在一些關(guān)鍵區(qū)域，即上臂和下臂的拐角區(qū)域，該區(qū)域決定了三維圖形的關(guān)鍵性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
　　(3)心理旋轉(zhuǎn)認(rèn)知加工的腦機(jī)制研究
　　使用眼動(dòng)和腦電同步的注視點(diǎn)相關(guān)電位(eye-fixation related potential,EFRP)技術(shù)進(jìn)一步探究心理旋轉(zhuǎn)的加工過程和策略，揭示三維圖形的不同興趣區(qū)在心理旋轉(zhuǎn)加工中的作用和重要性，同時(shí)結(jié)合眼動(dòng)和EFRP指標(biāo)，對(duì)同一因素下的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和比較，分析

7、其內(nèi)在的加工過程，從電生理的角度揭示心理旋轉(zhuǎn)加工的模式及其腦機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在關(guān)鍵興趣區(qū)和一般興趣區(qū)的比較中，平均注視持續(xù)時(shí)間并未發(fā)現(xiàn)顯著差異，而在EFRP分析中，發(fā)現(xiàn)大腦的右頂葉皮層P1成分的平均幅值會(huì)表現(xiàn)出顯著性差異，表現(xiàn)為關(guān)鍵興趣區(qū)的平均幅值顯著高于一般興趣區(qū)的平均幅值，這很有可能是由于在認(rèn)知任務(wù)過程中發(fā)生了注意力的轉(zhuǎn)移和波動(dòng)，說明在加工關(guān)鍵興趣區(qū)時(shí)被試的認(rèn)知負(fù)荷有一定程度的增加；此外我們還發(fā)現(xiàn)不同功能的注視點(diǎn)在頂葉皮層P1成分的

8、平均幅值也表現(xiàn)出顯著性差異，說明在具有“比較”功能的注視期間，被試的視覺信息加工強(qiáng)度增加，認(rèn)知負(fù)荷有所提高；最后，以上結(jié)果也再次證明了眼動(dòng)和ERP兩者聯(lián)合使用的EFRP技術(shù)可為研究者驗(yàn)證研究假設(shè)提供收斂性和差異性證據(jù)，也為在自然環(huán)境中研究視覺感知等認(rèn)知任務(wù)提供了研究方案。
　　(4)心理旋轉(zhuǎn)的眼動(dòng)模式及其認(rèn)知加工過程研究
　　通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式建立模型對(duì)兩種心理旋轉(zhuǎn)策略進(jìn)行預(yù)測(cè)，為心理旋轉(zhuǎn)加工過程提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)支撐。<

9、br>　　心理旋轉(zhuǎn)策略包括：
　　(1)左側(cè)圖形固定右側(cè)圖形旋轉(zhuǎn)，即被試將左側(cè)圖形的表象固定，將右側(cè)圖形的表象進(jìn)行心理旋轉(zhuǎn)，并與左側(cè)圖形進(jìn)行比較；
　　(2)右側(cè)圖形固定左側(cè)圖形旋轉(zhuǎn)，即被試將右側(cè)圖形的表象固定，將左側(cè)圖形的表象進(jìn)行心理旋轉(zhuǎn)，并與右側(cè)圖形進(jìn)行比較。為此，我們使logistic回歸、支持向量機(jī)和判別隱馬爾可夫模型，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模對(duì)心理旋轉(zhuǎn)加工過程中的眼動(dòng)模式進(jìn)行描述和分析，確定了最佳的分類模型和參數(shù)，同時(shí)通過

10、隱馬爾可夫模型的隱含狀態(tài)進(jìn)一步揭示了三維圖形心理旋轉(zhuǎn)的加工過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過隱馬爾可夫模型預(yù)測(cè)心理旋轉(zhuǎn)策略能夠達(dá)到76.8％的平均準(zhǔn)確率，高于其他模式分類方法；同時(shí)建模結(jié)果表明心理旋轉(zhuǎn)加工包含三個(gè)認(rèn)知過程：編碼和搜索、比較、在同一側(cè)圖形中搜索。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，三維圖形的心理旋轉(zhuǎn)是以逐段旋轉(zhuǎn)方式而完成的離散過程。
　　本文旨在通過結(jié)合行為學(xué)指標(biāo)、眼動(dòng)和腦電技術(shù)，揭示三維圖形心理旋轉(zhuǎn)的認(rèn)知加工過程，對(duì)本領(lǐng)域的主要貢獻(xiàn)包括：<

11、br>　　(1)技術(shù)基礎(chǔ)：眼動(dòng)儀和腦電儀的同步解決方案及其時(shí)間精度測(cè)量；
　　(2)實(shí)驗(yàn)因素：增加了三維圖形的平面投影面積這一實(shí)驗(yàn)因素，證實(shí)了其對(duì)心理旋轉(zhuǎn)加工的影響；
　　(3)研究手段：使用了EFRP技術(shù)研究心理旋轉(zhuǎn)的認(rèn)知過程，結(jié)合了眼動(dòng)和腦電兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，初步揭示了心理旋轉(zhuǎn)加工的腦機(jī)制；
　　(4)分析方法：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式建立模型，通過眼動(dòng)模式預(yù)測(cè)加工策略和推斷加工過程，為該領(lǐng)域研究提供新的研究手段、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分