韩 萌 毛新瑞 蔡梦彤 贾 茜 郭春彦

(首都师范大学心理系,北京市“学习与认知”重点实验室,北京 100048)

1 引言

空间想象对数学创造具有重要意义。早在1880年,Galton首次明确提出数字具有空间特性。随后,Dehaene 等人(Dehaene,Dupoux,&Mehler,1990)首次发现了SNARC (Spatial-Numerical Association of Response Codes)效应。SNARC效应即被试对数字做按键反应时,对于较小的数字,按左键的速度快于按右键;对于较大的数字,按右键的速度快于按左键(Dehaene,Bossini,&Giraux,1993)。研究者大多用“心理数字线(Mental number line)”来解释该效应(Gibson &Maurer,2016;Hartmann,Grabherr,&Mast,2012;Shaki &Fischer,2014),即人们将数字表征在一条自左到右的“心理数字线”上,数字在心理数字线上的表征位置对应反应键的空间位置,当两者位置一致时被试反应加快。根据数字在心理数字线上的空间位置与反应键的空间位置的对应关系,可以区分一致反应方式与不一致反应方式：一致反应方式即反应键的空间位置与数字在心理数字线上的表征位置一致,左键对应小数、右键对应大数;不一致反应方式即反应键的空间位置与数字在心理数字线上的表征位置相反,左键对应大数、右键对应小数。SNARC效应则表现为一致反应方式快于不一致反应方式。自SNARC效应提出以来,大量研究运用多种刺激材料(Jonas,Taylor,Hutton,Weiss,&Ward,2011;Shaki,Petrusic,&Leth-Steensen,2012;van Dijck &Fias,2011)、实验任务(Hartmann&Mast,2017;Hoffmann,Hornung,Martin,&Schiltz,2013;Mills,Rousseau,&Gonzalez,2014)及反应方式(Fernández,Rahona,Hervás,Vázquez,&Ulrich,2011;Riello &Rusconi,2011;Rusconi,Bueti,Walsh,&Butterworth,2011)验证并扩展了SNARC效应。

多项研究发现,当数字材料异号时,大小判断任务中存在明显的符号捷径机制(Sign shortcut mechanism) (Krajcsi &Igács,2010)。符号捷径机制表现为被试能够以数字符号作为判断依据,仅凭借正负号差异就可以迅速做出大小判断,将负数判断为“小”而将正数判断为“大”。先前行为研究仅能够表明符号捷径机制可以加速被试的判断,但是这一机制以何种形式影响SNARC效应并不清楚。深入探究符号捷径机制,明确这一机制对 SNARC效应发生时间和大脑皮层定位的影响,对探究正负号及其异同对SNARC效应的影响具有重要意义。当数字材料同号时,研究者在正数条件下得到了标准而稳定的SNARC效应(Hoffmann et al.,2013;Rusconi et al.,2011),但是对负数条件下的SNARC效应存在争论,主要结果可以分为三类,分别是：正常的SNARC效应(Shaki &Petrusic,2005,混合条件)、反转的SNARC效应(孔风,赵晶晶,游旭群,张宇,2012;Nuerk,Iversen,&Willmes,2004)以及无SNARC效应(Dodd,2011;Fischer &Rottmann,2005,Exp.2)。针对这些结果,主要存在两种对立的解释：个体发展论假说(Ontogenetic Hypothesis)和系统进化论假说(Phylogenetic Hypothesis)。个体发展论假说与系统进化论假说都认为负数是后天习得的,但是两者却从不同角度预测了负数在心理数字线上的表征。个体发展论假说从SNARC效应与负数的起源相似性出发,认为既然负数与 SNARC效应都是后天形成的(Göbel,Shaki,&Fischer,2011;Shaki et al.,2012;Yang et al.,2014),那么负数就能够在心理数字线上独立表征而不需要正数作为中介。负数包括数量与负号,负数在心理数字线上的表征同样依赖数量与负号。正数表征在心理数字线右侧,负数表征在左侧;实际值较小的负数(如–9、–8)表征在实际值较大的负数(如–2、–1)的左侧。个体发展论假说预测,被试对实际值较小的负数做左键反应更快,对实际值较大的负数做右键反应更快,因此表现出标准的 SNARC效应(Shaki &Petrusic,2005,混合条件)。系统进化论假说从正数与负数的不同起源出发,认为既然负数是后天习得,而正数的认知来自遗传和进化(Feigenson,Dehaene,&Spelke,2004;Fischer,2003),那么负数就无法独立表征而必须依赖先天习得的正数。虽然负数包括数量与负号,但是负号并不会对负数在心理数字线上的表征产生影响,负数在心理数字线上仅表征数量。系统进化论假说认为,负数依据绝对值进行表征,绝对值较小的负数(如–1、–2)表征在绝对值较大的负数(如–8、–9)的左侧。系统进化论假说预测,被试对绝对值较小的负数按左键更快,而对绝对值较大的负数按右键更快,因此表现出反转的SNARC效应(高在峰等,2009;孔风等,2012)。

先前研究多存在方法上的不足,这主要表现为：当采用奇偶判断任务时,被试会忽略数字正负而直接判断奇偶性(Nuerk et al.,2004);当0作为基线数字时,被试仅通过目标数字正负就可以做出大小判断(Fischer &Rottmann,2005);当在屏幕左右两侧同时呈现数字对时,数字出现的空间位置以及语义一致性效应会对 SNARC效应造成干扰(Fischer,2003;Shaki &Petrusic,2005)。语义一致性效应即在数字比较任务中,当比较对象为较大数字对时(如+8、+9),则被试选择大数字比选择小数字更快;当比较对象为较小数字对时(如+1、+2),则被试选择小数字比选择大数字更快。语义一致性效应对SNARC效应的影响主要体现在当同号数字对以与心理数字线空间一致的方式呈现时(如+4、+9或–9、–4),如果要求选择较小的数字,则左手反应是语义一致的,因此左手对小数反应更快;如果要求选择较大的数字,则右手反应是语义一致的,因此右手对大数反应更快,从而表现出 SNARC效应。当同号数字对以与心理数字线空间不一致的方式呈现时(+9、+4或–4、–9),如果要求选择较小的数字,则右手反应是语义一致的,因此右手对小数反应更快;如果要求选择较大的数字,则左手反应是语义一致的,因此左手对大数反应更快,从而出现反转的SNARC效应。该范式混淆了反应手与语义,其结果实际反映了语义一致性效应而非SNARC效应。

对于SNARC效应的发生时间,行为研究主要有两种观点,分别认为发生在刺激呈现阶段(Tlauka,2002)以及反应相关的晚期阶段(Daar &Pratt,2008)。电生理技术又进一步将SNARC效应锁定在反应选择阶段(Gevers,Ratinckx,De Baene,&Fias,2006;Keus,Jenks,&Schwarz,2005)。Keus等(2005)以1～9 (排除5)的数字为刺激材料,要求被试执行奇偶判断任务。对较小数字(1、2、3、4)按左键、较大数字(6、7、8、9)按右键为一致反应方式,对较小数字按右键、较大数字按左键则为不一致反应方式。研究采用LRP成分来区分SNARC效应发生于反应选择阶段或是反应准备与执行阶段。在一致反应与不一致反应条件下,如果 LRPs的开始时间存在差异,则 SNARC效应发生于反应准备与执行阶段;如果 LRPs的开始时间并无差异,则SNARC效应发生于反应选择阶段。锁定于反应的分析表明,Cz和Pz这两个电极上出现了数字大小与反应按键的交互,即出现了 SNARC效应,该效应出现于反应执行前380ms,持续140ms以上;锁定于刺激的分析表明,Pz电极在520～635ms出现了SNARC效应。因为平均反应时为515ms,所以这一结果说明 SNARC效应发生于反应相关的阶段。对 LRPs的分析发现,一致反应方式与不一致反应方式的锁定于反应的 LRPs并无显著差异,这说明SNARC效应并未出现于反应准备阶段,因此必然涉及先前反应选择阶段的加工。Gevers等(2006)利用P300和LRP得到了和Keus相似的结果,证明SNARC效应发生于反应选择阶段。虽然这两个研究能够借助 ERP技术的高时间分辨率说明SNARC效应的发生时间,但这两个实验均运用奇偶判断任务,采用正数作为刺激材料。因此,对于采用大小判断任务或者负数作为实验材料时的SNARC效应是否仍发生于反应选择阶段还需进一步探讨。

脑成像研究表明数字的空间表征会普遍激活额叶与顶叶皮层(Cattaneo,Silvanto,Pascual-Leone,&Battelli,2009;Cutini,Scarpa,Scatturin,Dell'Acqua,&Zorzi,2014;Dormal,Dormal,Joassin,&Pesenti,2012;Rusconi et al.,2011);神经心理学研究证明下顶叶的损伤会破坏数量表征(Dehaene &Cohen,1997),左侧顶叶损伤的右视野忽视病人在数字对分任务以及数字序列任务中出现单侧损害(Pia,Corazzini,Folegatti,Gindri,&Cauda,2009);细胞水平上的认知神经科学研究发现灵长类动物的后顶叶皮层存在离散量与连续量的神经元集群编码(Tudusciuc &Nieder,2007),这些研究揭示了额叶、顶叶皮层与数字空间表征的密切联系。虽然大量研究表明额叶与顶叶皮层是数字空间关联的关键位置,但是数字空间关联的表现形式多样,各种形式都有自己的特点,因此,需要继续探究不同形式间激活位置的差异。作为数字空间关联的重要形式,SNARC效应的激活位置是否有其独特之处尤其值得关注。与此同时,Cohen和Dehaene (1996)发现左右半球的数字加工能力有明显区别,对于割裂脑患者来说,尽管左右半球都可以阅读并比较数字大小,但是只有左半球具有命名数字以及数字计算的能力。这样看来,左半球在数字加工中发挥更大作用,但最近研究却发现数字空间关系中存在明显的右半球优势(Dormal et al.,2012;Gut,Szumska,Wasilewska,&Jaśkowski,2012)。更重要的是,虽然先前研究发现数字空间关系中存在左右半球分离,但是SNARC效应是否存在这一分离以及正负号差异对左右半球分离现象的影响还不清楚。因此,左右半球在数字空间关系中的作用仍有待进一步探究。

大量以个位数字为刺激材料的研究表明,数字正负号及其异同是影响SNARC效应的重要因素。为避免先前研究中存在的方法缺陷,本研究拟采用大小判断任务(Magnitude judgment task) (Gibson &Maurer,2016;Hoffmann et al.,2013),每次只在屏幕中央随机呈现一个目标数字(–9～+9,除去–5、0、+5),要求被试将目标数字与基线数字(–5或+5)进行快速比较并做大小判断。该任务克服了先前研究只单独进行同号数字比较的情况,目标数字随机出现使得被试无法忽视正负号或仅通过正负号做出判断,因此能够突出正负号及其异同对数字空间关系的影响;同时,大小判断任务也不存在位置偏向以及语义一致性效应的干扰,保证了研究的客观准确性。虽然先前研究对SNARC效应的发生时间及数字空间关联的大脑皮层位置进行了探讨,但是仍然存在实验方法单一,以正数刺激为主、较少涉及负数刺激等问题,对 SNARC效应的位置特异性以及左右半球分离现象也知之甚少。为此,本研究采用ERP技术,利用P3、LPP这两个指标,重点探究了SNARC效应的生理机制。P3成分对应于早期选择阶段,反映对刺激的检测以及评价分类过程(Conroy &Polich,2007;Polich,2003;Verleger,Jaśkowski,&Wascher,2005);LPP对应反应执行阶段,指示反应的准备与执行(Sabatinelli,Lang,Keil,&Bradley,2007)。本研究既在方法上加以改进,又能够探究负数在心理数字线上的表征方式,解决系统进化论假说与个体发展论假说之间的争论;细化SNARC效应的皮层位置,探究SNARC效应中是否存在左右半球分离以及正负号及其异同对左右半球分离现象的影响。因此,本研究具有重要的意义和价值。

综上所述,本研究将对符号捷径机制、负数在心理数字线上的表征方式、SNARC效应的发生时间以及皮层定位与优势半球进行深入探讨,这有助于进一步了解SNARC效应的神经机制。鉴于上述讨论,我们做出如下预期：(1)当目标数字与基线数字同号且均为负数时,一致反应方式快于不一致反应方式,负数按照其实际大小进行表征,结果支持个体发展论假说。(2)当目标数字与基线数字同号时,SNARC效应发生于反应选择阶段;当目标数字与基线数字异号时,符号捷径机制会影响SNARC效应的发生时间,SNARC效应不仅会出现于反应选择阶段,而且可能出现于刺激呈现阶段与反应执行阶段。(3)SNARC效应的出现会激活额叶与顶叶位置,并且左右半球在数字–空间关系中发挥不同作用,均表现出激活优势。

2 方法

2.1 被试

来自首都师范大学的 16名被试参加了脑电实验(11名女生,5名男生,年龄19～27岁,平均年龄为21.88±2.47岁),为确保实验结果的准确可靠性,我们又招募了13名被试单独进行行为实验(13名女生,年龄19～30岁,平均年龄为22.46±3.18岁)。所有被试均为右利手,视力或校正视力正常,无精神病史,身体健康。实验结束后给予被试一定数量的报酬。本实验已经经过伦理委员会批准。

楚墨想送念蓉上班，却被念蓉拒绝。“前天晚上我没有睡好，昨天晚上你没有睡好，你应该多睡一会儿。”说完念蓉就后悔了。为自己在这件事情上的纠缠不休。

2.2 实验材料

实验材料由目标数字和基线数字两部分组成,目标数字为–9到+9的整数(排除–5、0、+5),基线数字为–5或+5。数字为宋体,字高为1.5°,所有数字均包含绝对值和正负号两部分(例如,+4、–4)以平衡正数和负数的视觉复杂性。所有数字刺激均为黑色,背景为灰色。

2.3 实验设计

本实验为 2 (基线数字：+5、–5)×2 (正负号异同性：目标数字与基线数字同号、目标数字与基线数字异号)×2 (反应方式：一致反应方式、不一致反应方式)的被试内设计,以考察数字正负号及其异同对SNARC效应的影响。基线数字包括+5与–5两水平,正负号异同性包括目标数字与基线数字同号以及目标数字与基线数字异号两水平,反应方式包括一致反应方式与不一致反应方式两水平。实验包括 4组练习和 8组正式实验,每组练习包含 16个试次,每组正式实验包含96个试次。

正式实验阶段对每类试次的数量进行了平衡,试次的出现顺序随机：当基线数字为+5时,比+5大的4个数字(+6、+7、+8、+9)分别呈现12次,比+5 小的 12 个数字(+1、+2、+3、+4、–1、–2、–3、–4、–6、–7、–8、–9)分别呈现 4 次;而当基线数字为–5时,比–5大的 12个数字(–4、–3、–2、–1、+1、+2、+3、+4、+6、+7、+8、+9)分别呈现 4次,比–5小的 4 个数字(–6、–7、–8、–9)分别呈现 12 次,以此确保每组实验中按左键与按右键的数量相等,从而消除反应偏向。

2.4 实验程序

使用 15 英寸的纯平显示器呈现实验材料,所有实验材料均呈现于屏幕正中央。被试与屏幕的距离为70cm (视角为9°×8°)进行实验任务,在这个过程中记录被试的反应时、正确率并进行 EEG 数据采集。实验采用修正的大小判断任务,首先通过指导语告知被试本组实验的基线数字以及按键反应方式;ISI为800～1000ms,在此期间于屏幕中央呈现注视点“+”;接着,注视点消失,显示屏中央呈现目标数字,持续时间为800ms;800ms后,再次呈现注视点,开始新的试次(见图1)。被试的任务是将目标数字与先前给定的基线数字进行快速大小比较并按一致反应方式或不一致反应方式做出两键判断(左键为F键、右键为J键)。指导语同时强调速度和准确性。实验耗时大约30 min,在实验组间给予被试时间自由休息。

图1 实验流程图

2.5 EEG记录和数据处理

本实验采用Neuroscan公司生产的ESI-64导脑电记录系统记录相应EEG。电极帽采用国际10-20扩展电极位置系统的Ag/AgCl电极帽。左侧乳突处的电极作为参考电极,右侧乳突处的电极作为记录电极。离线数据分析时,采用双侧乳突的平均作为参考。垂直眼电(VEOG)的记录采用左眼眶上下的2个电极,水平眼电(HEOG)的记录采用两侧外眼角处的2个电极,接地电极位于FPz和Fz之间。脑电信号采样频率为 500 Hz,滤波为带通 0.05～40 Hz。每个电极与头皮间的电阻在记录 EEG时均小于5 kΩ。实验截取–100～1000ms的脑电数据,把–100～0ms的作为基线,以回归程序对眨眼伪迹进行校正处理(Semlitsch,Anderer,Schuster,&Presslich,1986)。叠加前剔除波幅±75μV之外的试次,并只对正确试次进行叠加。把去除伪迹后的试次按照基线数字(+5、–5)、正负号异同性(目标数字与基线数字同号、目标数字与基线数字异号)、按键反应方式(一致、不一致)三因素8种处理分别进行叠加,经统计,8种实验处理的平均试次数为87。根据前人研究(Dormal et al.,2012;Gevers et al.,2006;Keus et al.,2005;Rusconi et al.,2011)以及对ERP波形的视觉检测,以170～250ms、250～350ms、350～550ms、550～800ms为时间窗口,分析位置分为4个部分：左额叶(F3、FC3)、右额叶(F4、FC4)、左顶叶(P3、PO5)、右顶叶(P4、PO6)。分析时取该区域电极的平均电伏值。方差分析采用 SPSS17.0软件包进行,必要时采用 Greenhouse-Geisser的方法进行校正。

利用平方根标准化程序(矢量转化法)(McCarthy &Wood,1985)进行地形分布分析以检测SNARC效应的神经发生源。同时,使用LORETA(Low Resolution Electromagnetic Tomography)方法进行偶极子溯源分析(Curry7.0),先前研究结果表明LORETA方法能产生相对准确的颅内源定位(律原,梁九清,郭春彦,2015;Guo,Duan,Li,&Paller,2006;Guo,Lawson,&Jiang,2007;Pascual-Marqui,2002)。

3 结果

3.1 行为结果

表1 大小判断任务的行为结果(反应时、正确率)

3.2 ERP结果

3.2.1 170～250ms

图2 SNARC效应的波形图

图3 SNARC效应的地形图彩图见电子版,下同

3.2.2 250～350ms

3.2.3 350～550ms

3.2.4 550～800ms

3.2.5 地形图分析

3.2.6 偶极子溯源分析

为了进一步探究正负号及其异同对SNARC效应的影响是否存在脑机制差异,将4种比较条件下“一致/不一致反应”的总平均ERPs差异波分别导入具有标准MRI头像的Curry 7.0 系统,用LORETA电流密度法和偶极子拟合法在三壳球形模型中重建各条件在不同时间窗口的大脑颅内活动源。地形图显示350～550ms时间窗口的大脑激活最为显著。同时,在550～800ms时间窗口,当目标数字与基线数字正负号相异并且基线数字为–5时,顶区也有显著激活。因此,我们选取刺激呈现后350～550ms以及550～800ms进行偶极子溯源分析。溯源结果如图4所示：当目标数字与基线数字正负号相同时(见图4A),若基线数字为+5,SNARC效应主要定位于右侧额中回(残差为 5.41%),若基线数字为–5,SNARC效应主要定位于左侧额上回(残差为6.86%);当目标数字与基线数字正负号相异时(见图4B、图4C),若基线数字为+5,SNARC效应主要定位于左侧额上回(残差为 4.18%),若基线数字为–5,SNARC效应主要定位于右侧额中回(残差为3.62%)和顶下小叶(残差为 5.55%)。这些结果表明,SNARC效应主要激活了额叶与顶叶皮层。

4 讨论

本研究采用修正的大小判断范式,以正负号及其异同为切入点,采用锁定于刺激的 ERP成分对SNARC效应进行了探索,结果表明正负号及其异同是影响 SNARC效应及数字加工机制的重要因素。首先,对于负数的表征机制,先前研究存在个体发展论假说与系统进化论假说的争论,本研究证明负数按其实际大小进行表征,对比基线数字小的数字按左键更快,对比基线数字大的数字按右键更快,这支持了个体发展论假说。其次,对于SNARC效应的发生时间,先前研究中存在反应选择阶段与刺激呈现阶段的争论,而本研究发现 SNARC效应的发生时间会受到符号捷径机制的调节。无论目标数字与基线数字正负号相同还是相异,SNARC效应普遍发生于反应选择阶段,但当目标数字与基线数字正负号相异时,符号捷径机制发挥作用：若基线数字为+5,SNARC效应同时发生于刺激呈现阶段;若基线数字为–5,SNARC效应同时发生于反应执行阶段。最后,本研究证实了SNARC效应会激活额叶与顶叶皮层;大小判断任务中的SNARC效应出现左右半球分离,即负数的SNARC效应激活左半球,正数的SNARC效应激活右半球。

图4 SNARC效应的溯源分析结果

4.1 正数的SNARC效应与心理数字线假设

目标数字与基线数字异号时的反应时显著短于目标数字与基线数字同号时的反应时,目标数字与基线数字异号时的正确率显著高于目标数字与基线数字同号时的正确率,这可能是符号捷径机制在发挥作用。被试可以在目标数字与基线数字异号时直接通过正负号差异做出判断,因而反应时缩短、正确率提高(Krajcsi &Igács,2010)。其次,基线数字为+5时的反应时显著短于基线数字为–5时的反应时,基线数字为+5时的正确率显著高于基线数字为–5时的正确率,这可能是由于数字频率的差异。相较于负数(包括–5),正数(包括+5)在日常生活中的出现和使用频率更高,因此被试对正数具有更强的熟悉感。研究表明,数字的使用频率越高,被试熟悉性越强,对该数字的提取效率越高,反应越快(Gut et al.,2012;Kadosh,Kadosh,Henik,&Linden,2008)。当正数(+5)作为基线数字时,被试判断标准明确清晰,反应也更加迅速。最后,一致按键的反应时显著短于不一致按键,这说明被试对比基线数字小的数字按左键更快、对比基线数字大的数字按右键更快,表明出现了SNARC效应。尤其是当基线数字为+5、目标数字与基线数字正负号相同时,回归分析结果进一步确认了 SNARC效应的存在,这与先前研究所得结果一致(Hoffmann et al.,2013;Rusconi et al.,2011)。脑电结果上,SNARC效应表现为在 350～550ms的时间窗口,不一致反应比一致反应显著更负且均诱发了P3成分。P3成分反映对刺激的检测以及评价分类过程(Conroy &Polich,2007;Polich,2003;Verleger et al.,2005),P3的差异说明被试在一致反应条件与不一致反应条件下具有不同的刺激分类模式,一致反应条件所需的选择及检测努力更少,而不一致反应条件需要更多努力才能做出反应分类。这是因为,一致条件不存在数字的空间表征位置与反应方式的冲突,而不一致条件存在并需要抑制这一冲突。根据心理数字线假设(Gibson &Maurer,2016;Hartmann et al.,2012;Shaki &Fischer,2014),数字在心理数字线上的表征位置对应反应键的空间位置,当两者位置一致时被试反应加快。大小判断任务激活了正数在心理数字线上的空间表征,比基线数字小的数字表征在心理数字线左侧,而比基线数字大的数字表征在右侧。

4.2 负数表征遵从个体发展论假说

先前研究对目标数字与基线数字同为负数(目标数字与基线数字同号、基线数字为–5)时的SNARC效应一直存在较多争论。本研究的行为结果表明,一致反应与不一致反应在该条件下并无显著差异。这是因为较之于正数,负数的表征并不稳定。正数被知觉为大数,但负数并不被知觉为小数。负数由负号和绝对值组成,负号在自动加工中代表了小数,但是绝对值部分却代表了一个更大的数。因此,两种成分的效应会相互干扰,使得负数的SNARC效应难以在行为结果中表现出来(Ganor-Stern &Tzelgov,2008;Krajcsi &Igács,2010)。ERP技术具有很高的时间分辨率,能够监测加工的各个阶段,从而提供关于 SNARC效应的深层次信息。本研究的脑电结果显示,在350～550ms时间窗口,不一致反应比一致反应边缘更负且均诱发了P3。如前所述,P3的差异说明被试在一致反应条件与不一致反应条件下具有不同的刺激分类模式,一致条件不存在数字的空间表征位置与反应方式的冲突,而不一致条件存在并需要抑制这一冲突。一致反应方式要求被试对小于基线数字的数字按左键、对大于基线数字的数字按右键。与这一反应方式相对应,小于基线数字的数字表征在心理数字线左侧,大于基线数字的数字表征在右侧。这说明负数按照实际值而非绝对值进行表征,该结果符合个体发展论假说。个体发展论假说认为,负数在心理数字线上有独立的空间编码,负数按其实际大小进行表征并必须依赖负号。因此,被试对实际数值较小的负数按左键更快,对实际数值较大的负数按右键更快(Shaki &Petrusic,2005,混合条件)。值得注意的是,支持个体发展论假说的研究者大多采用比较同时呈现在屏幕两侧的一对数字大小的范式,该范式被质疑存在语义一致性效应的干扰以及基于数字呈现的空间位置与数字空间表征位置一致性这一错误的前提假设(高在峰等,2009)。本实验采用修正的大小判断任务,目标数字呈现于屏幕中央,从而避免受到数字呈现的空间位置的影响。同时,要求被试将目标数字与给定的基线数字(+5或–5)进行比较并判断目标数字的大小,并不会混淆语义与反应手,从而消除语义一致性效应的干扰。较之于先前研究采用奇偶判断任务,被试会忽略数字正负而直接判断奇偶性,从而得到反转的 SNARC效应(Nuerk et al.,2004);以0作为基线数字,被试仅通过目标数字正负就可以做出大小判断,从而没有得到SNARC效应(Fischer &Rottmann,2005)。在本研究中,正负数随机出现,被试无法忽视数字正负号,从而确保正负号在大小比较中发挥作用;当目标数字与基线数字同号时,被试也无法仅通过正负号做出大小判断,从而确保被试对数字进行整体比较。因此,本研究能够准确反映负数在心理数字线上的表征方式。本研究利用 P3这一指标,在脑电结果中得到了负数同号比较条件下的SNARC效应,这从神经机制层面证明了负数按其实际大小进行空间表征,为个体发展论假说提供了新的实证证据。

4.3 符号捷径机制影响SNARC效应的发生时间

先前研究大多表明SNARC效应发生于反应选择阶段(Gevers et al.,2006;Keus et al.,2005)。本研究利用锁定于刺激的ERPs,借助P3这一指标,在多种比较条件同时存在的大小判断任务中,在反应选择阶段得到了 SNARC效应,为先前研究提供了新的实证证据。更重要的是,本研究表明当目标数字与基线数字正负号相异时,符号捷径机制会影响SNARC效应的发生时间。行为结果显示,目标数字与基线数字异号时的反应时显著短于与基线数字同号时的反应时。脑电结果表现为,在 250～350ms时间窗口,当目标数字与基线数字异号、基线数字为+5时,一致比不一致条件诱发了波幅显著更小的N300;在550～800ms时间窗口,当目标数字与基线数字异号、基线数字为–5时,一致比不一致条件诱发了显著更正的 LPP。N300与注意定向有关(Neuhaus et al.,2010)。在250～350ms,一致比不一致反应条件诱发波幅显著更小的N300成分,这说明早在刺激呈现之初,一致与不一致反应条件就存在注意定向上的差异。先前研究表明 SNARC效应能够引起空间注意的转移,对较小数字的加工会使注意偏向左侧,而对较大数字的加工会使注意偏向右侧(Goffaux,Martin,Dormal,Goebel,&Schiltz,2012;Ranzini,Lisi,&Zorzi,2016;Schuller,Hoffmann,Goffaux,&Schiltz,2014)。一致与不一致反应条件在N300上的差异反映了SNARC效应对注意的影响。我们推测符号捷径机制使这种注意上的差异得以显现,具体来说,由于负数的出现和使用频率更低,因此较之于正数更易引起注意,所以当目标数字与基线数字异号、基线数字为+5时,电生理水平上表现出了SNARC效应对注意的影响。另一方面,LPP代表反应准备与执行(Sabatinelli et al.,2007)。在 550～800ms时间窗口,一致比不一致反应诱发更正的 LPP,这说明一致反应与不一致反应存在执行按键上的差异。先前研究表明SNARC效应的方向会受到阅读及书写习惯的影响(Göbel et al.,2011;Shaki et al.,2012;Yang et al.,2014),而参与本研究的被试皆具有自左至右的阅读及书写方向,因此对小于基线数字的数字按左键、对大于基线数字的数字按右键这种一致反应方式更熟悉。我们推测符号捷径机制使这种按键反应上的差异得以显现,符号捷径机制加速了异号比较时被试的判断,对正数的熟悉性也使这种反应上的熟练性显现出来。所以,电生理水平上表现出了SNARC效应对反应按键的影响。据此,当目标数字与基线数字正负号相异时,符号捷径机制主要有两种表现形式：当目标数字为负数时,符号捷径机制诱发注意定向,使 SNARC效应出现在刺激呈现阶段;而当目标数字为正数时,符号捷径机制诱发执行按键的熟练性,使 SNARC效应一直持续至反应执行阶段。

4.4 SNARC效应的皮层定位

先前ERP研究大多集中于对SNARC效应发生阶段的探讨,较少关注 SNARC效应的皮层定位,仅有的少量脑电研究将数字与空间关系的关键位置指向顶叶及额叶皮层(Schuller et al.,2014)。脑成像结果表明右侧额下回、右侧额叶眼动区(Rusconi et al.,2011),角回(Cattaneo et al.,2009),右侧额–顶神经网络(Dormal et al.,2012)以及双侧顶内沟(Cutini et al.,2014)等区域在不同形式的数字与空间关联中表现出显著激活。当前 ERP结果显示额叶皮层在大小判断任务中发挥重要作用,溯源分析也表明SNARC效应主要起源于额叶及顶叶皮层。这一结果证实了先前研究,丰富了脑电研究对数字空间关联的皮层定位的认识。

值得注意的是,地形图比较和溯源分析皆表明数字大小判断任务中存在左右半球分离：当目标数字为负数时,在左额叶,一致比不一致反应诱发更正的脑电成分;而当目标数字为正数时,在右额叶,一致比不一致反应诱发了更正的脑电成分。尤其是在同号比较条件下,负数的SNARC效应在左额叶诱发更正的脑电成分,正数的SNARC效应在右额叶诱发更正的脑电成分。这样看来,左额叶与负数加工关系密切,而右额叶与正数加工联系更密切。先前研究对于数字加工的优势半球存在争论,不论是左半球优势还是右半球优势都得到了大量实证研究的支持(Dehaene,1996;Dormal et al.,2012;Gut et al.,2012)。由于这些研究所采用的数字任务不同,所以这种半球优势的差异可能表明不同数字任务具有不同的优势半球。Gut等人(2012)利用奇偶判断任务探究了当解决 SNARC效应诱发的冲突时,大数字与小数字的加工是否存在差异。结果表明,当小数字作为目标数字时,在左半球,一致比不一致反应诱发了更正的 P3成分;当大数字作为目标数字时,在右半球,一致比不一致反应诱发了更正的P3成分。Gut等人将这一结果解释为,冲突加工具有半球特异性,参与数字任务的机制依赖于目标数字大小,小数字更多涉及左半球,而大数字更多依赖右半球。在本研究中,目标数字包含负数与正数,即涉及一条完整的数轴,在此数轴上,负数小于正数。当面对由 SNARC效应诱发的冲突时,负数作为较小数字依赖左半球,而正数作为较大数字依赖右半球。这一结果说明负数与正数表征具有不同的优势半球,从侧面说明负数与正数具有不同的空间表征方式,负数表征并不依赖正数,从而支持了个体发展论假说。本研究消除了先前研究中忽略数字正负号、仅通过数字正负做出判断、数字出现的空间位置以及语义一致性效应影响SNARC效应等弊端,因此能够真正体现正负号及其异同对SNARC效应的影响,从而探究不同数字符号下SNARC效应的大脑皮层分布差异。本研究证明了正数与负数在空间反应编码上的皮层位置差异,为正负号及其异同影响SNARC效应提供了生理证据。

5 结论

本研究利用修正后的大小判断任务来探究正负号及其异同对 SNARC效应的影响。结果表明,负数表征遵循个体发展论假说;符号捷径机制使SNARC效应不仅发生于反应选择阶段,而且可能出现于刺激呈现阶段与反应执行阶段;SNARC效应会激活额叶与顶叶皮层,负数的 SNARC效应激活左额叶皮层,正数的 SNARC效应激活右额叶皮层。总之,本研究既解决了负数表征机制及SNARC效应发生时间的争论,又发现了正数与负数的SNARC效应的半球分布差异,这对全面深入地了解SNARC效应具有重要意义。

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