基于腦電信號分析的心理旋轉認知加工機制研究.pdf

1、空間認知能力是人類智能的基本成分之一，在智力結構中扮演著相對獨立的角色。視覺空間表象是空間認知能力解決問題的基礎，而心理旋轉測試作為表象研究中的典型實驗范式，為空間表象研究提供了定量且客觀的方法。隨著研究者們越來越傾向于從信息加工的角度對人類智能進行研究，大量研究結果發(fā)現(xiàn)，心理旋轉作為人類空間認知加工的基本操作之一，對被試空間認知能力有很好的預測作用。本研究以心理旋轉實驗為研究范式，對空間認知加工過程的機制進行了深入研究。研究目的是分解

2、心理旋轉任務加工流程，總結加工流程各步驟之間的關系，歸納心理旋轉認知加工策略，揭示視覺工作記憶不同成分對心理旋轉認知加工的影響及其機制，深化對大腦空間認知加工機制的理解。
　　本研究以腦電信號分析技術為工具，在對行為學數(shù)據(jù)分析的基礎上，利用事件相關電位（ERP）的高時間分辨率特性對腦電數(shù)據(jù)進行分析，然后通過計算事件相關譜擾動（ERSP）和重復試驗間的相位一致性（ITC）對腦電數(shù)據(jù)進行時頻分析，最后利用標準低分辨率電磁斷層成像技術（

3、sLORETA）對腦電數(shù)據(jù)進行電流密度溯源分析。本文主要研究內(nèi)容和結論如下：
　　通過研究二維與三維心理旋轉行為學特征差異發(fā)現(xiàn)：
　?。?）三維心理旋轉認知加工過程空間表象的操作難度更大，素材到達目標角度的時間更長，淡化了各角度之間反應時間的差異，整體反應時間明顯高于二維心理旋轉實驗；
　?。?）二維心理旋轉認知加工過程出現(xiàn)“鏡像翻轉”的概率高于三維心理旋轉，平面外旋轉過程的參與使二維心理旋轉正像和鏡像素材對應的行為學

4、差異更加明顯；
　　（3）二維心理旋轉認知加工過程更容易受到非心理旋轉加工過程的干擾，實驗素材的角度越大，心理旋轉認知加工參與程度越高；
　?。?）非線性模型與線性模型相比，能更好地描述心理旋轉的線性與非線性特征，并能更有效地識別實驗類型之間與實驗素材類型之間的差異；
　?。?）LBA線性決策模型與傳統(tǒng)的線性和非線性模型相比，可以描述的特征更豐富，視角也更多樣，對正像實驗素材數(shù)據(jù)的擬合效果優(yōu)于鏡像實驗素材，并且對二維心

5、理旋轉實驗的行為學數(shù)據(jù)擬合效果明顯優(yōu)于三維心理旋轉實驗對應的行為學數(shù)據(jù)。
　　通過研究二維心理旋轉晚期腦電特征發(fā)現(xiàn)：
　?。?）行為學數(shù)據(jù)和腦電數(shù)據(jù)分析結果證明，“鏡像翻轉”現(xiàn)象在鏡像實驗素材對應的心理旋轉加工過程中確實存在；
　?。?）“鏡像翻轉”現(xiàn)象對應的平面外旋轉發(fā)生在平面內(nèi)旋轉之后，而且很有可能既和平面內(nèi)旋轉加工過程有時間交叉，也和決策過程有時間交叉；
　　（3）隨著實驗素材角度增加，平面內(nèi)與平面外旋轉過

6、程有平行發(fā)生的趨勢；
　?。?）多個認知過程在心理旋轉晚期產(chǎn)生了明顯的交叉，如果以被試做出判斷的時間為基準，可以更直觀地分析平面內(nèi)與平面外旋轉過程的差異，所以研究該階段的行為學與腦電特征對研究整個心理旋轉加工過程和研究不同素材類型對應的心理旋轉加工過程差異有重要意義。
　　通過研究不同視覺工作記憶成分對心理旋轉腦電特征的影響發(fā)現(xiàn)：
　?。?）ERP平均幅值的差異以及α頻段和β頻段腦電去同步化程度的差異證明，客體工作記憶

7、負荷相比空間工作記憶對心理旋轉加工的影響更顯著，證明了視覺工作記憶子系統(tǒng)的功能性分離；
　?。?）雖然工作記憶負荷，尤其是客體工作記憶負荷對心理旋轉ERP和ERSP產(chǎn)生了顯著影響，但隨著實驗素材角度的增加和心理旋轉加工難度的上升，不同實驗類型之間的差異逐漸消失，證明了客體工作記憶更可能對心理旋轉空間表象的形成和存儲產(chǎn)生了影響，而不是空間表象的操作過程，即客體工作記憶負荷并未影響心理旋轉認知加工的核心特征，客體工作記憶能力在心理旋轉

8、認知加工過程中僅起輔助作用。
　　此外，本文還設計實現(xiàn)了一種便攜式認知能力測試軟件iBrain，通過對其進行的標準化檢驗證明：
　?。?）本軟件具有體系相對完整、擴展性較高、數(shù)據(jù)收集自動化的特點；
　?。?）本軟件中雖然個別類型認知能力測試還需要改進，但是整體測試框架滿足內(nèi)部一致性要求，結構和效標關聯(lián)效度良好，基本滿足認知能力測試穩(wěn)定性和準確性的要求，能夠體現(xiàn)共同的認知能力因素，符合智力因素理論的g因素假設；
　

9、　（3）本軟件是上述空間認知基礎研究的應用之一，在現(xiàn)代網(wǎng)絡社會中能夠快速收集和統(tǒng)計海量數(shù)據(jù)，可以作為今后認知能力預測研究的數(shù)據(jù)庫，也可為不同領域的能力評估和人才選拔工作提供參考。
　　綜上所述，研究不同條件下心理旋轉認知加工過程的行為學和腦電數(shù)據(jù)特征，對研究大腦空間表象的操作方式以及預測被試的空間認知能力有重要意義。本文從二維與三維心理旋轉加工過程的特征差異、正像與鏡像實驗素材對應的心理旋轉加工過程的特征差異、心理旋轉早期與晚期的