任务指导语及实验范式对朝向和反向眼跳的发展

  1　引言
    眼跳是眼球在注视点之间产生的跳动，其功能在于改变注视点使下一个注视对象的成像保持在双眼的视网膜中央窝，以便进一步加工。眼跳分为外源性眼跳和内源性眼跳(沈模卫，高涛，刘利春，李鹏，2004)，外源性眼跳是由外在刺激的突然出现而不由自主引发的朝向该刺激的眼跳，因此也叫朝向眼跳，是不受意志控制的；内源性眼跳也叫自主控制眼跳，是个体主动引发的眼跳，如根据指导语要求跳向箭头指示的方位。
    通常认为朝向眼跳活动是由刺激驱动而相对自动化的行为，但仍有大量研究揭示眼跳的本质特征如潜伏期(latency)和空间准确性可能受认知因素的影响。Mosimann等(Mosimann, Felblinger, Colloby, & Müri, 2004)在研究中要求被试在不同的任务指导语下引发朝向眼跳，当要求被试对突然出现的目标刺激进行延迟反应时，眼跳的潜伏期会显著长于标准型指导语(要求被试尽可能迅速而又准确地引发朝向眼跳)下的反应。在速度型指导语下，即要求被试尽可能迅速地反应但不要求位置的准确性，被试的眼跳反应相对于标准型指导语下的潜伏期缩短但空间准确性降低，证明策略性因素对朝向眼跳有影响。
    反向眼跳任务由Hallett在1978年首次提出(田静，王敬欣，张赛，2011)，在该任务中，首先呈现中央注视点，然后呈现一个目标刺激，要求被试主动抑制指向目标的朝向眼跳，把注意转向目标刺激的对侧，产生与目标到中央注视点的距离大致相等的眼跳(Fukushima, Tanaka, Williams, & Fukushima, 2005)。突然呈现的目标刺激会导致强烈的朝向目标的眼跳，但为了完成目的性的反向眼跳任务，这种优势眼跳必须被抑制。因此反向眼跳任务能够有效地测量被试对眼跳行为的自主控制能力，是研究心理执行功能的有效工具。而且由于反向眼跳任务对个体的额叶－纹状体通路(fronto－striatal)的功能异常具有高敏感性，且任务简单，因此被广泛应用于精神病学、神经病学和心理学的研究领域(王敬欣，李娟，田静，李永鑫，2010)。关于精神分裂症、孤独症、老年痴呆症等群体的反向眼跳特征目前已进行了较深入的研究(Hutton, & Ettinger, 2006; Hutton, 2008)，对于健康人群成功反向眼跳的认知加工过程的研究也逐渐深入。从理论上讲，反向眼跳的自上而下的控制水平应该明显大于朝向眼跳活动，因此指导语的影响效应有可能比朝向眼跳更明显。Taylor和Hutton(2009)对眼跳的指导语效应进行了实验研究。在该研究中被试需要完成朝向和反向两种眼跳任务，每种任务下均设计了四种不同的指导语：标准型、准确型、速度型和延迟型。结果发现，任务指导语显著影响被试的反向眼跳活动，具体表现为延迟型指导语下正确反向眼跳潜伏期显著增加，眼跳错误率明显降低；准确型指导语导致被试的正确反向眼跳潜伏期增加，而速度型指导语导致潜伏期缩短，但两者对眼跳错误率没有影响。对于朝向眼跳，只有延迟性指导语导致被试的眼跳潜伏期明显增加，其他指导语对朝向眼跳均无显著影响。在该研究中实验人员为了使被试的反向眼跳错误率最大化，要求被试先完成朝向眼跳任务进而形成“朝向眼跳定势”，之后再完成反向眼跳任务。这种对潜在结果的人为控制可能会影响最后的研究结果。
    在眼跳研究中有三种实验变式，即重叠(overlap)范式、零(step)范式和空白(gap)范式。如果目标刺激出现时，中央注视点仍在，则为重叠范式；如果目标刺激出现时，中央注视点已经消失了一段时间，则为空白范式；如果目标刺激出现的同时，中央注视点正好消失，则为零范式。根据以往研究(Pratt, Lajonchere, & Abrams, 2006)，眼跳中存在“gap效应”，即与重叠范式和零范式相比，空白范式下的眼跳潜伏期最短。出现这种效应的原因目前仍存在争议，一种观点认为这与较高水平的注意控制有关，在空白范式下，注视点消失后注意也随之发生转移，而在重叠范式下，注视点的持续存在吸引了注意，导致眼跳被抑制，因此眼跳潜伏期较长(Fischer, & Weber, 1993; Guimaraes－Silva, Gawryszewski, Portugal, & Klausner－de－Oliveira, 2004)。另一种观点则认为这是由较低水平的皮层下机制导致的，注视点的出现致使引发眼跳的上丘(superior colliculus, SC)部位的抑制水平降低，因此重叠范式下的眼跳潜伏期较长(Pratt et al., 2006; Munoz, Dorris, Paré, & Everling, 2000)。以上推论基本都是基于对朝向眼跳任务的研究得出的，对于反向眼跳的研究较少。
    针对此，本研究同样考察朝向和反向眼跳任务中的指导语效应，但同时采用空白范式、零范式和重叠范式呈现目标刺激，而且在实验设计中平衡朝向和反向眼跳任务的完成顺序，以期更客观全面地探查指导语和实验范式对朝向和反向眼跳任务的影响。本研究假设：指导语对两种眼跳任务均有影响；实验范式对眼跳的潜伏期和正确率有影响，但对朝向眼跳和反向眼跳的影响模式不同。
    2　研究方法
    2.1　被试
    从某大学随机选取22名自愿参加实验的本科生，平均年龄为21.1岁，所有被试视力或矫正视力正常，且均未参加过类似实验。其中一个被试因为眼跳数据不完整被剔除，另一个被试因为误解指导语而被剔除，最终正式实验被试为20人，男生8人，女生12人。
    2.2　仪器
    采用SR Research公司的EyeLink 1000桌面型眼动追踪系统记录被试的眼动，使用单眼镜头，采样频率为500Hz，显示器刷新频率为120Hz，分辨率为1024×768。实验过程要求被试将下颌放在下颌托上，防止头部运动，被试眼睛距显示器中心约78cm。
    2.3　实验程序及设计
    采用2(眼跳方向)×3(实验范式)×4(任务指导语)的完全被试内实验设计，眼跳方向包括反向眼跳和朝向眼跳，实验范式包括空白范式、重叠范式和零范式。指导语有四类，标准型指导语，要求被试尽可能准确而又迅速地进行反应；准确型指导语，要求被试尽可能准确地看向目标刺激的位置或镜像位置，反应速度不重要；速度型指导语，要求被试尽可能迅速做出反应，空间准确性不重要；延迟型指导语，要求被试在完全确信自己该如何反应后再做出反应。
    为控制两种眼跳任务间的干扰效应，在第一次实验时10个被试完成反向眼跳任务，另10个被试完成朝向眼跳任务，间隔两周后再完成另一种眼跳任务。在反向眼跳任务中，被试要完成不同指导语要求下的4组实验，其中标 准型指导语实验组首先进行，其他三种指导语的顺序用拉丁方顺序平衡，因为标准型指导语下的结果将作为与其他条件比较的基准，而且根据Taylor等的预实验发现，被试一旦先完成延迟型指导语下的任务，之后在完成标准型指导语任务时仍不自觉地使用延迟策略。Smymis等(2002)研究发现，同一组反向眼跳中前10个试次的反应错误率呈下降趋势，表现出学习效应，接下来的20－60试次中错误率基本不变，属平稳期，最后的60－90试次中错误率逐渐增加，表现出疲劳效应。据此在每组实验中要求被试首先完成10个练习项目，再完成54个正式实验项目，实验顺序完全随机，两组实验间进行一次校准。朝向眼跳任务与此相同。
    在每一项实验中，首先在白色的屏幕上呈现一个红色的中央注视点，直径为0.3cm，空白和零范式下，该注视点持续时间为800ms，消失后呈现空白屏，空白范式下空白屏持续200ms，零范式下持续0ms。消失后呈现目标刺激(一个直径为0.3cm的红圆点)。重叠范式下中央注视点持续800ms后呈现目标刺激，但中央注视点并不消失，直到被试作出眼跳反应后。目标刺激分别位于中央注视点左右各2°、5°和10°视角的水平方位上。
    3　结果与分析
    首先剔除练习项目的数据，然后依据以下标准剔除无效数据：(1)实验中无眼跳发生，(2)首次眼跳中出现眨眼，(3)眼跳幅度小于0.5°，(4)眼跳潜伏期小于80ms，被认为可能存在预期(Wenban－Smith, & Findlay, 1991)，(5)眼跳潜伏期大于1000ms，被视为极端数据。被剔除数据大约有7％。
    眼跳潜伏期也称眼跳反应时，指从目标刺激呈现到被试开始执行第一次眼跳之间的时间间隔，反映了被试执行眼跳的时间，不包括眼跳时间。对于发生多次眼跳的实验只取首次眼跳。正确眼跳不仅要求眼跳方向符合任务要求，同时眼跳结束时的注视点位置也要准确，注视点位置通过画兴趣区的方式确定，正确朝向眼跳的注视点要求落在相应的目标刺激的兴趣区内，而反向眼跳的注视点要求落在目标刺激镜像位置的兴趣区内。中央注视点的兴趣区为其左右各1°视角的范围，2°视角的目标刺激的兴趣区为其左右各1°视角范围，5°视角的目标刺激的兴趣区为其左右各2°视角范围，10°视角目标刺激的兴趣区为其左右各3°视角范围。
    3.1　眼跳潜伏期
    以被试正确的眼跳潜伏期为因变量，以眼跳方向、指导语类型和实验范式为自变量进行三因素重复测量方差分析，具体结果见表1。
    
    方差分析结果显示，眼跳方向的主效应显著，F(1，19)＝62.843，p＜0.001，反向眼跳的平均潜伏期比朝向眼跳潜伏期长84ms；实验范式的主效应显著，F(2，38)＝80.779，p＜0.001，事后比较的结果表明空白范式下的眼跳反应显著快于重叠范式和零范式，ps＜0.05，后两种范式间没有差异，p＞0.1；指导语的主效应显著，F(3，57)＝5.729，p＜0.01；眼跳方向与实验范式的交互作用显著，F(2，38)＝20.996，p＜0.01。其他交互作用均不显著。
    为了进一步探讨指导语对两种不同眼跳任务的影响，以及不同实验范式对指导语效应的影响，以指导语为自变量分别对不同实验范式下的反向眼跳和朝向眼跳潜伏期进行了单因素重复测量方差分析，结果发现，对于朝向眼跳潜伏期，只有空白实验范式下的指导语效应达到显著水平，F(3，57)＝2.777，p＝0.05；配对比较结果为，延迟型指导语下的潜伏期显著长于其它指导语，ps＜0.05，其它三种指导语下的潜伏期不存在显著差异。
    在反向眼跳任务中，空白范式下的指导语主效应显著，F(3，57)＝2.966，p＜0.05，配对比较结果表明，速度型指导语下的潜伏期显著快于其他指导语，ps＜0.05，延迟型指导语下的潜伏期显著长于其它指导语，ps＜0.05，但标准型指导语和准确型指导语间没有差异。重叠范式下指导语的主效应达到显著水平，F(3，57)＝3.400，p＜0.05，配对比较的结果为，延迟型指导语下的潜伏期显著长于其它指导语，ps＜0.05，速度型指导语下的潜伏期尽管最短，但与标准型指导语和准确型指导语间的差异不显著。零范式下指导语的主效应也达到显著水平，F(3，57)＝4.531，p＜0.01，配对比较的结果为，标准型指导语与速度型指导语下的潜伏期不存在显著差异，p＞0.1，但均显著快于准确型指导语和延迟型指导语，ps＜0.05，后两者间差异不显著，p＞0.1。
    眼跳方向和实验范式的交互作用显著，因此进行了简单效应分析，结果发现，在朝向任务中，重叠范式下的潜伏期为190ms，显著长于其它两种范式，ps＜0.05；空白范式和零范式下的潜伏期分别为152ms和161ms，不存在差异。在反向任务中，空白范式下的潜伏期为192ms，显著快于重叠和零范式，ps＜0.001；后两种范式下的潜伏期分别为281ms和283ms。
    3.2　反向眼跳错误率
    对反向眼跳错误率进行两因素重复测量方差分析，数据结果见表2。
    
    方差分析结果表明实验范式的主效应显著，F(2，38)＝24.536，p＜0.001；事后比较发现，空白范式下的错误率显著低于其他两种范式，ps＜0.001，重叠范式和零范式间不存在差异。指导语的主效应不显著，F(3，57)＝1.012，p＞0.1。两因素间也不存在交互作用。
    为探明正确反向眼跳潜伏期与反向眼跳错误率间的关系，进行了一系列相关分析，结果发现，空白和重叠范式下延迟型指导语的反向眼跳潜伏期与错误率间存在显著正相关，分别为r＝0.429，p＝0.05，和r＝0.462，p＝0.04，其它相关均不显著。
    4　 讨论
    在本研究中反向眼跳的平均潜伏期比朝向眼跳长84ms。正确反向眼跳潜伏期的增加通常被认为是因为增加了抑制优势性朝向眼跳的额外过程，以及为了实现反向眼跳的协调性而进行的空间转换，这些过程都需要耗费大量时间(Olk, & Kingstone, 2003)。而且从本研究结果可以看出，这一基本特点不受实验范式的影响。
    研究中，每种眼跳任务下都有四种不同的实验指导语，标准型指导语要求被试反应时能尽可能兼顾速度和准确性，准确型指导语和速度型指导语只要求被试反应时考虑其中一个维度，而延迟型指导语明确要求被试进行延迟反应，因此推测延迟型指导语下被试的反应潜伏期可能最长，而速度型指导语下被试的反应潜伏期可能最短。研究结果只是部分地验证了这一推测。首先，指导语对朝向眼跳潜伏期有一定影响，但只有延迟型指导语导致潜伏期显著延长，速度型和准确型指导语与标准型指导语没有区别，可见即使是 在要求被试尽可能迅速反应的情况下，被试的朝向眼跳潜伏期仍没有变化。这与Taylor和Hutton(2009)的研究结果相一致，表明在朝向眼跳任务中，正常反应情况下的眼跳潜伏期和准确率已达到基线水平。因为延迟型指导语明确要求被试进行延迟反应，因此个体可能采用有意识控制的策略导致反应潜伏期的延长。这一结果再次证明朝向眼跳尽管是一种反射性眼跳，但仍在一定程度上受自上而下的认知因素的影响。
    在反向眼跳任务中，指导语的影响作用同样存在。首先，对于潜伏期而言空白范式下速度型指导语反应最快，延迟型指导语反应最慢，重叠范式下延迟型指导语的反应最慢，而零范式下延迟型指导语与准确型指导语间没有差异，但均显著长于其它两种指导语。可见当要求被试延迟反应时，的确导致反向眼跳潜伏期的显著延长。因此在反向眼跳中，指导语的影响作用是确实存在的，指导语的不同要求可以在一定程度上影响个体的反应策略。这也再次表明反向眼跳活动是一种自上而下的加工，意识控制更明显。但出人预料的是，在数据分析时，眼跳方向与指导语两因素的交互作用不显著，这有可能与本研究中另一个因素有关，也可能是由其他原因引起，对于此问题有待于进一步研究和探讨。
    在对反向眼跳错误率的分析中发现，空白范式的错误率显著低于其它两种范式，结合简单效应分析发现，在反向眼跳任务中空白范式下的眼跳潜伏期为192ms，显著快于重叠和零范式。这一数据结果支持眼跳竞争模型(Competitive Race Model)的假设，该模型用眼跳程序的并行特性来解释反向眼跳任务中的眼跳行为(Hutton, & Ettinger, 2006; Massen, 2004；陈庆荣，谭顶良，邓铸，周临，张晓丽，2009)，认为刺激出现导致了外源性朝向眼跳和内源性反向眼跳之间的竞争。反向眼跳反应正确与否取决于这两种不同眼跳活动的相对激活强度，如果刺激呈现后支持反向眼跳的内在神经系统激活强度首先达到活动阈限，就会产生一次正确的反向眼跳活动，而反射性朝向眼跳活动就被取消。反之，错误的反向眼跳就会产生。由此得出以下推论，即任何影响朝向和反向眼跳潜伏期的操作都可能影响反向眼跳的错误率，换句话说，任何导致正确反向眼跳潜伏期增加的操作也可能使反向眼跳错误率增加，除非该操作对朝向眼跳潜伏期的影响也达到同等程度。但Taylor和Hutton(2009)的研究结果正好相反，他们发现在延迟型指导语下被试的正确反向眼跳潜伏期最长，但错误率却最低，速度型指导语相反。对此的解释是反应前较长时间的注视也成为错误朝向眼跳的有效竞争来源，从而降低了朝向眼跳达到阈限水平的可能性，因此反向眼跳的错误率就降低了。据此，Taylor等提出了眼跳竞争模型的校正理论。本研究随后进行的相关分析结果发现空白范式和重叠范式下延迟型指导语的反向眼跳潜伏期与错误率间存在显著正相关，即该指导语下，反向眼跳潜伏期越长，错误率就越高，进一步验证了之前提到的眼跳竞争模型。因此有关眼跳竞争模型的争论仍需要进一步研究和探讨。
    空白范式、重叠范式和零范式这三种实验范式尽管内在的实验任务要求相同，但不同范式的中央注视点和目标刺激的呈现时间有区别，因此对不同范式下眼跳指标的比较可以揭示时间变量对眼跳活动的影响。本研究的结果揭示了反向眼跳任务中“gap效应”的存在，具体表现为空白范式下的反向眼跳潜伏期显著短于重叠范式和零范式，而且反向眼跳错误率也显著低于这两种范式，可见空白范式下的刺激呈现模式最有利于个体完成眼跳任务。
    本研究还发现了眼跳方向和实验范式的交互作用，进一步分析发现，两种眼跳任务在零范式下有截然相反的结果，朝向眼跳中，零范式下的反应潜伏期与空白范式没有差异，都显著快于重叠范式，但在正确反向眼跳中，零范式下的反应潜伏期明显长于空白范式，与重叠范式接近。这一有趣的结果可能与两种不同眼跳任务的内在生理机制不同有关。朝向眼跳的加工过程主要是由上丘(superior colliculus, SC)中的注视细胞(fixation, cells)与运动细胞(movement cells)以一种相互抑制的方式所控制的。当某一个刺激呈现并被注视时，眼跳地图上对应区域内的注视细胞本身得到高度激活，并会对运动细胞的活动进行抑制，此时眼跳就不易发生。而当该注视刺激消失，尤其是同时或者是之后在另外一个位置上又出现了新异刺激时，之前被高度激活的注视细胞的活动性降低，它们对运动细胞的抑制就会被解除，而且新刺激对应区域内的注视细胞又得到了高度激活，此时就很容易向新刺激所在位置发生眼跳(闫国利，白学军，2012)。重叠范式下，中央注视点一直存在，因此注视细胞的活动性持续存在，当新异刺激出现时，对运动细胞的抑制仍较强，由此导致反应时间延迟。零范式和空白范式的区别仅在于中央注视点消失与目标刺激出现间的时间间隔不同，中央注视点消失注视细胞的活动性就随之降低。因此在朝向眼跳中，零范式下的反应潜伏期与空白范式没有差异，但都显著快于重叠范式。反向眼跳受额眼区(frontal eye field, FEF)与SC的共同控制。FEF主要负责将获得的视觉信号进一步转化为眼跳指令，并根据任务及意愿的需要，通过向SC中的注视细胞发送抑制或激活指令，达到降低或提高相应区域内注视细胞活动水平的目的。Crevits等(Crevits, Abbeele, Audenaert, Goethals, & Dierick, 2005)认为正是因为FEF参与了反向眼跳，使SC中注视细胞在注视点消失的情况下也保持较高的水平。也正是这个原因使得零范式下的反应潜伏期与重叠范式没有太大差异，但都明显慢于空白范式。
    5　结论
    本研究条件得到如下结论：(1)朝向眼跳潜伏期显著快于反向眼跳，且不受实验范式的影响。(2)在朝向眼跳任务中，空白范式下的延迟型指导语导致眼跳潜伏期延长，指导语效应存在。(3)在反向眼跳任务中，导致眼跳潜伏期延长的操作也导致眼跳错误率增加，反之依然。结果支持眼跳竞争模型。(4)在朝向和反向两种眼跳任务中都存在“gap”效应。