視覺信息在工作記憶中的存儲機制

1視覺工作記憶中的記憶績效隨客體數(shù)目的變化近年來，關(guān)于物體信息在視覺工作內(nèi)存（hdd）中的存儲方法和容量引起了許多研究。Luck等人首先采用變化覺察范式(changedetectionparadigm),對視覺客體信息的存儲機制和容量進行了探討。該范式首先呈現(xiàn)一組視覺刺激(記憶項),間隔一段時間(ISI)后,再呈現(xiàn)另一組視覺刺激(檢測項),要求被試判斷檢測項與記憶項是否相同。他們發(fā)現(xiàn),在僅要求被試記憶視覺對象的單個維度特征(顏色或線段朝向)的信息和同時記憶兩個不同維度特征(顏色和線段朝向)的信息兩條件下,記憶績效無差別。進一步的實驗發(fā)現(xiàn),視覺對象為單色塊和雙色塊(由一個大色塊中內(nèi)嵌一個小色塊構(gòu)成的雙色色塊刺激)兩條件下,對顏色變化覺察任務(wù)的績效相同?；谏鲜鼋Y(jié)果,他們認(rèn)為,視覺信息是以整合客體的方式穩(wěn)固地存儲于工作記憶中,記憶容量取決于客體的數(shù)目,而不受客體所含特征的數(shù)目和種類的影響。該假設(shè)被其他研究者稱為“強客體”理論。Lee等人探討了客體所占空間位置數(shù)目對視覺工作記憶的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),記憶正確率只受客體數(shù)目的影響,而與客體占據(jù)的空間位置數(shù)目無關(guān)。這一結(jié)果進一步支持了“強客體理論”。Wheeler和Treisman對形狀和顏色兩基本特征在工作記憶中是否以整合客體方式存儲的假設(shè)進行了直接檢驗。她們的研究采用單檢測項的變化覺察范式,設(shè)置了兩種不同的檢測項變化方式。其一為特征變化方式,即檢測項包含一在記憶項中未出現(xiàn)過的新特征(顏色或形狀),此時被試基于對記憶項和檢測項的特征信息的比較,便可做出二者“相同”或“相異”判斷,該變化方式條件考察的是被試對于客體特征信息的記憶;其二為特征交換方式,即檢測項的兩特征均在記憶項的不同的客體中出現(xiàn)過,此時被試必須根據(jù)對記憶項與檢測項所含特征及其綁定關(guān)系的比較才能做出判斷,該變化方式條件考察的是對整合客體信息的記憶。她們認(rèn)為,如果客體的特征信息是以整合客體的方式存儲于視覺工作記憶中,則特征交換方式下的變化覺察績效應(yīng)不低于特征變化方式下各特征變化條件中加工難度最大條件的變化覺察績效。因此,通過比較特征變化方式和特征交換方式的記憶績效,可有效地考察客體特征信息是否能以整合客體的方式存儲于視覺工作記憶中。她們的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),特征交換方式下的記憶績效與特征變化方式下最差特征的記憶績效無顯著差異。該結(jié)果支持了由兩不同維度基本特征構(gòu)成的客體在視覺工作記憶中是以整合客體方式存儲的假設(shè)。然而,另有研究發(fā)現(xiàn),視覺工作記憶容量不僅取決于客體數(shù)目,同時也受客體所含特征的數(shù)目、種類及綁定(binding)關(guān)系的影響。Olson和Jiang采用雙色色塊刺激的實驗獲得了與Luck等人上述實驗不一致的結(jié)果,即記憶績效隨客體所含顏色特征數(shù)目不同而變化。這一結(jié)果也在其他人的研究中獲得了驗證。該研究的其它實驗還發(fā)現(xiàn),對2個顏色和2個方向信息的記憶正確率高于對4個顏色(或方向)信息的記憶,即記憶不同維度特征的容量大于記憶相同維度特征。Xu通過對由多個部分構(gòu)成的客體的記憶容量的研究發(fā)現(xiàn),需記憶的特征整合于客體相同部分的績效優(yōu)于其分散于客體不同部分的績效,說明同一客體內(nèi)部特征間的綁定關(guān)系也影響記憶績效。還有研究發(fā)現(xiàn),隨客體的知覺加工難度提高,對其的記憶容量顯著減少。上述研究結(jié)果與Luck等人提出的對各種特征信息均以整合客體方式存儲的假設(shè)不符,即對強客體理論提出了質(zhì)疑?？梢?視覺工作記憶容量既受客體數(shù)目的影響,又與客體所含特征信息的復(fù)雜程度相關(guān)。Olson等人稱之為“弱客體”(weakobject)假設(shè)。然而,在工作記憶中能整合于客體表征的特征信息局限于哪些類型,該理論并未做出明確的區(qū)分。筆者認(rèn)為,客體所含特征信息的復(fù)雜程度直接影響對該信息在知覺階段的加工方式――并行加工或系列加工。筆者推測,知覺過程中可在前注意階段以并行方式加工的客體基本特征信息能以整合客體的方式存儲于工作記憶中,而需集中注意參與,以系列方式進行加工的客體特征信息在工作記憶中則難以體現(xiàn)基于客體的優(yōu)勢,即不能在視覺工作記憶中形成整合的客體表征。這一假設(shè)與Luck等人結(jié)合基于客體的注意所提出的“強客體”理論存在明顯差異,尚需實驗驗證。在本研究中,筆者對Wheeler和Treisman的研究范式加以改進,通過比較特征變化方式和特征交換方式兩者的記憶績效,分別探討由兩基本特征構(gòu)成的客體(實驗一)和由一基本特征與一細(xì)節(jié)特征構(gòu)成的客體(實驗二)在視覺工作記憶中的存儲機制問題。2檢測項變化方式Wheeler和Treisman有關(guān)對顏色和形狀兩特征的存儲方式的研究采用了區(qū)組設(shè)計,每一區(qū)組僅含一種檢測項變化方式。筆者認(rèn)為,被試明確獲知在各組試驗中檢測項的變化方式的條件下,有可能在不同的區(qū)組中采用不同的記憶策略。為排除上述區(qū)組因素對實驗結(jié)果的潛在影響,本實驗對不同的檢測項變化方式做完全隨機設(shè)計,以檢驗由顏色和形狀兩基本特征組成的簡單客體在視覺工作記憶中的存儲方式。2.1實驗方法2.1.1測試對象15名(7男、8女)在校本科生參加了本實驗。所有被試視力(或矯正視力)正常,無色盲或色弱,年齡在23~25歲間。2.1.2類選擇客實驗程序由Presentation編制,通過一臺PentiumⅢ800計算機進行控制。刺激呈現(xiàn)在17英寸彩色顯示器中央,屏幕的分辨率為800×600,刷新率為85Hz。被試眼睛與屏幕中心的距離約為57cm。所有刺激呈現(xiàn)于灰色背景(CIE:x=0.298,y=0.334;Y=14.22cd/m2)。7種備選顏色分別為:紅(CIE:x=0.560,y=0.378;Y=14.64cd/m2);藍(lán)色(CIE:x=0.149,y=0.091;Y=8.37cd/m2);綠色(CIE:x=0.267,y=0.637;Y=52.82cd/m2);黃色(CIE:x=0.417,y=0.485;Y=50.1cd/m2);紫色(CIE:x=0.267,y=0.126;Y=16.47cd/m2);白色(Y=55.02cd/m2);黑色(Y=1.339cd/m2)。7種備選形狀如圖1所示。任選一顏色和形狀即可構(gòu)成一記憶項所含客體。每個客體大小為1°×1°。記憶項含4個顏色和形狀互不重復(fù)的客體,它們呈現(xiàn)于屏幕中央4×4的不可見網(wǎng)格(空間范圍為8°×8°,每個方格大小為2°×2°)的4個隨機位置上,任意兩客體的中心間距不小于1°,不大于2.8°。檢測項為呈現(xiàn)于屏幕中央的單個客體,其大小與記憶項中的客體相同。數(shù)字刺激為從1~9中隨機選取的4個互不重復(fù)的阿拉伯?dāng)?shù)字,顏色為棕色(CIE:x=0.528,y=0.355;Y=31.7cd/m2),大小為1°×0.6°,作水平排列,相鄰兩數(shù)字中心的間距為0.6°,以控制對記憶項的復(fù)述。2.1.3單次試驗流程正式實驗采用以檢測項變化方式為自變量的單因素被試內(nèi)設(shè)計。整個實驗中50%試驗的檢測項為記憶項中的某一個客體(不變條件)。在另50%的試驗中,檢測項為記憶項中未出現(xiàn)過的新刺激。新刺激的形成由特征變化和特征交換兩種條件構(gòu)成,兩者的試驗次數(shù)各占總次數(shù)的25%。特征變化條件下,改變記憶項中某一客體的顏色(或形狀)作為檢測項,被試若存儲了記憶項的特征信息即可覺察變化。檢測項出現(xiàn)顏色和形狀變化的試驗次數(shù)各占總次數(shù)的12.5%。特征交換條件下,檢測項由記憶項中分屬于兩不同客體的顏色和形狀構(gòu)成,被試必須存儲了記憶項特征間的綁定關(guān)系信息,才可覺察變化。單次試驗流程如圖2所示。首先在屏幕中央呈現(xiàn)阿拉伯?dāng)?shù)字刺激500ms,要求被試不停地快速出聲復(fù)述,直至該次試驗結(jié)束,以防止被試對記憶項進行言語復(fù)述。數(shù)字刺激消失500ms后,在屏幕中央呈現(xiàn)注視點500ms,間隔300ms后,呈現(xiàn)記憶項200ms。記憶項消失后,間隔1000ms,在屏幕中央呈現(xiàn)單一的檢測項。要求被試判斷檢測項相對于記憶項中的客體是否發(fā)生了變化。如果有變化,按“J”鍵;反之,按“F”鍵。要求被試盡可能提高反應(yīng)正確率,而對反應(yīng)速度無要求。兩次試驗的間隔時間為1s。對檢測項是否變化及檢測項的變化方式均做隨機處理。正式實驗包括160次試驗,分兩組進行,組間休息兩分鐘。正式實驗開始前,進行16次練習(xí)試驗。2.2形狀與特征融合下的記憶績效在檢測項未發(fā)生變化的條件下,被試的反應(yīng)正確率為80.3%(SD=7.6%)。各種檢測項變化方式下的變化覺察正確率如圖3所示。顏色變化和形狀變化兩條件下的相關(guān)樣本t檢驗顯示,顏色特征變化條件下的變化覺察正確率顯著高于形狀特征變化條件,t(14)=4.026,p<0.001。筆者隨后將形狀變化與特征交換兩條件下的變化覺察績效進行相關(guān)樣本t檢驗,結(jié)果表明,二者差異不顯著,t(14)=0.965,p>0.05。根據(jù)Wheeler和Treisman的邏輯,本研究中特征交換條件的記憶績效不低于形狀條件,則可推論形狀與顏色兩視覺信息以整合客體方式存儲于工作記憶中。該結(jié)果與Wheeler和Treisman的結(jié)果一致。3需注意參與提取的細(xì)節(jié)特征若工作記憶存儲的對象是知覺過程中集中注意參與下創(chuàng)建的客體文件,則該文件除包含顏色、形狀等可被并行加工的基本特征外,還可包含其它需由集中注意參與提取的細(xì)節(jié)特征(如蘭道環(huán)的開口朝向)。本實驗對上述有關(guān)細(xì)節(jié)特征與基本特征能以整合客體的方式被存儲的假設(shè)進行了檢驗。3.1實驗方法3.1.1測試對象12名(6男、6女)在校本科生參加了本實驗。所有被試視力(或矯正視力)正常,無色盲或色弱,年齡在23~25歲間。3.1.2記憶項的數(shù)目本實驗用蘭道環(huán)的開口朝向特征替代了實驗一中的形狀特征。蘭道環(huán)有8種備選的開口朝向(在0°~360°中,每隔45°選取一個朝向),其直徑為1°,邊寬0.09°,開口大小0.18°。已有研究表明,對細(xì)節(jié)特征的記憶正確率有可能較低,因此本實驗中,記憶項的數(shù)目減小到3個(見圖4)。在開口朝向特征發(fā)生變化的條件下,檢測項與記憶項開口朝向的差別不小于90°。蘭道環(huán)的備選顏色、數(shù)字刺激、實驗裝置和其它條件均與實驗一一致。3.1.3單次試驗和正式實驗正式實驗采用以檢測項變化方式為自變量的單因素被試內(nèi)設(shè)計。檢測項相對于記憶項的變化方式及各類試驗的次數(shù)分配與實驗一相同。由于對開口朝向的知覺難度大于基本特征,為確保對開口朝向特征在知覺階段的充分加工,本實驗的單次試驗流程中將記憶項的呈現(xiàn)時間延長至350ms。正式實驗含160次試驗。正式實驗開始前進行16次練習(xí)試驗。3.2特征交換與開口雙向變化條件的績效差異在檢測項未發(fā)生變化的條件下,被試的反應(yīng)正確率為76.1%(SD=7.9%)。各種檢測項變化方式下的變化覺察正確率如圖5所示。顏色變化和開口朝向變化兩條件下的相關(guān)樣本t檢驗顯示,顏色特征變化條件下的變化覺察正確率顯著高于開口朝向特征變化條件,t(11)=3.527,p<0.01。采用與實驗一相同的邏輯,將特征交換與開口朝向變化兩條件的績效進行比較,發(fā)現(xiàn)特征交換條件下的變化覺察正確率顯著低于開口朝向變化條件,t(11)=3.565,p<0.01。這一結(jié)果與有關(guān)細(xì)節(jié)特征能與基本特征以整合客體的方式存儲的假設(shè)相矛盾。4工作記憶客體表征對多客體的整合Luck等人基于如前所述支持強客體理論的實驗證據(jù),并結(jié)合其它有關(guān)視覺注意的研究指出,基于客體的視覺工作記憶是與基于客體的選擇性注意緊密聯(lián)系的。注意對視覺信息的選擇是以客體為單位的,當(dāng)客體的某一特征被選擇,該客體所含的其它特征也被同時加工,并存儲于工作記憶中與該客體相對應(yīng)的客體文件中。根據(jù)該假設(shè),對可被并行加工的基本特征和需集中注意參與加工的細(xì)節(jié)信息在工作記憶中的存儲均應(yīng)以整合客體的方式進行。本研究以兩個實驗,通過考察不同類型視覺信息在工作記憶中的存儲方式,對上述假設(shè)進行了檢驗。實驗一考察了由顏色和形狀兩基本特征組成的視覺刺激的存儲方式,結(jié)果發(fā)現(xiàn),顏色記憶績效優(yōu)于形狀記憶,而特征交換的覺察績效與后者無顯著差異。該結(jié)果支持同一客體所含的顏色和形狀兩特征是以整合客體的方式存儲于工作記憶中的假設(shè)。實驗二探討了同一客體所含的基本特征(顏色)和需集中注意參與提取的細(xì)節(jié)特征(蘭道環(huán)的開口朝向)在工作記憶中的存儲方式,結(jié)果發(fā)現(xiàn),特征交換條件下的覺察績效顯著低于顏色與開口朝向兩種特征變化條件。該結(jié)果表明,上述兩種視覺信息并非以整合客體的方式存儲于工作記憶中。實驗二的結(jié)果與Luck等人的強客體理論相矛盾,而與筆者在前言中所提假設(shè)一致,即在知覺階段以并行方式加工的基本特征能以整合客體的方式存儲于工作記憶中,而需集中注意參與,以系列方式進行加工的客體特征信息則難以被整合于工作記憶中的客體表征。筆者認(rèn)為,所謂的“弱客體”現(xiàn)象(Olson&Jiang)是由以系列方式加工的信息在工作記憶客體表征中的缺失所致。Wolfe將基于客體的認(rèn)知特性與并行加工相聯(lián)系,指出客體文件是在集中注意參與下對多客體進行系列加工前,以并行方式創(chuàng)建的。它收集了某客體所包含的基本特征信息,為基于客體的注意提供了潛在的選擇對象(前注意客體文件)。當(dāng)注意集中于某客體時,與其對應(yīng)的客體文件即升級為含細(xì)節(jié)信息的注意客體文件。若注意從該客體轉(zhuǎn)移后,其相應(yīng)的客體文件退回至被注意加工前的狀態(tài)(后注意客體文件)?；诒緦嶒灥慕Y(jié)果,結(jié)合Wolfe上述有關(guān)在不同注意狀態(tài)下客體文件特性的理論,筆者假設(shè)在工作記憶中被同時激活的是在知覺過程的并行加工階段形成的客體表征。而對于在知覺過程中,以系列方式逐一加工的多客體細(xì)節(jié)信息在集中注意轉(zhuǎn)移后,則從客體表征中消退,對其在工作記憶中的存儲是與客體表征相分離的。在提取過程中,細(xì)節(jié)信息依靠集中注意能以系列方式被添加到視覺工作記憶中的“弱客體”表征中,但在存儲過程中,與知覺過程相類似,分布于多個客體的細(xì)節(jié)信息不能在各自的客體表征中被同時激活。在以系列方式在工作記憶客體表征中添加細(xì)節(jié)信息的過程中,可能出現(xiàn)細(xì)節(jié)信息與客體表征的錯誤粘合,造成在基本特征與細(xì)節(jié)信息均被正確保存的條件下,仍無法對兩類信息的綁定關(guān)系做出正確判斷,導(dǎo)致特征交換條件下的記憶績效低于特征變化條件。有關(guān)在并行加工階段,可形成包含基本特征整合關(guān)系的客體表征這一假設(shè)與新近的視知覺理論相一致。經(jīng)典的特征整合理論認(rèn)為,并行加工階段所處理的是對各個維度特征的獨立分析,某對象所含特征間的綁定加工只能在注意指向該知覺對象的條件下得以完成。然而,Luck等人根據(jù)神經(jīng)電生理研究的結(jié)果所提出的模糊解決(ambiguityresolution)理論認(rèn)為,只有當(dāng)知覺對象在空間上分布的密度較大,使得在同一高級視皮層神經(jīng)元的感受野內(nèi)包含多個客體時,才需要集中注意對每個客體逐一進行加工以消除基本特征在多個對象間的錯覺性粘合。當(dāng)知覺對象的間距較大,造成高級視皮層神經(jīng)元的感受野內(nèi)只存在一個知覺對象時,由于不存在多個特征是如何分布于該感受野內(nèi)所含的多個客體的不確定性,因此該條件下對特征的綁定加工無需注意參與,在并行階段即可完成。另有研究發(fā)現(xiàn),對紋理、三維空間方位,以及受Muller-Lyer錯覺影響的長度等復(fù)雜特征信息的加工也可以并行方式完成。Nakayama和Joseph據(jù)此指出,在視覺系統(tǒng)中不可能存在與上述復(fù)雜信息一一對應(yīng)的特