双稳态知觉的脑机制

中国科学: 生命科学

2015年 第45卷 第8期: 789 ~ 798 http://doc.guandang.net http://doc.guandang.net

《中国科学》杂志社

SCIENCE CHINA PRESS

SCIENTIA SINICA Vitae

论 文

双稳态知觉的脑机制

杜杨杨 , 郝磊 , 王勇超, 毕泰勇*, 位东涛, 邱江*

西南大学心理学部, 认知与人格教育部重点实验室, 重庆 400715 同等贡献

* 联系人, E-mail: bitaiyong@http://doc.guandang.net; qiuj318@http://doc.guandang.net

收稿日期: 2015-04-10; 接受日期: 2015-06-26; 网络版发表日期: 2015-07-27

国家自然科学基金(批准号: 31400960)和中央高校基本科研业务费专项资金(批准号: SWU1409155, SWU1409323)资助项目 doi: 10.1360/N052015-00102

摘要 当对视觉输入的信息有多种解释时, 人们的知觉状态会在这些解释之间随机切换. 目前, 这种多稳态或双稳态知觉的神经机制仍处于争论之中. 本研究分别以鲁宾花瓶和内克尔立方体两种双稳态图形为对象来研究双稳态知觉在大脑结构上的机制. 首先，通过计算两种双稳态知觉的切换频率, 发现两者切换频率之间有正相关关系. 在此基础上, 通过计算两种知觉切换频率与大脑灰质体积的相关性, 发现鲁宾花瓶和内克尔立方体图形的切换频率均和右侧额下回的灰质体积存在显著的负相关. 本研究表明, 不同双稳态知觉之间具有共同的神经基础, 这一共同的基础位于右侧额下回, 支持了自上而下的加工在双稳态知觉中具有重要的作用.

关键词

双稳态知觉 鲁宾花瓶图形 内克尔立方体图形 灰质体积

右侧额下回

当外界的刺激模糊不清时, 即使刺激本身没有发生改变, 人们的主观感受也可能会处于不断变化中. 这一现象被称为多稳态或双稳态现象. 双稳态现象最典型的例子便是双稳态图形(或称两可图形), 如图1所示的鲁宾花瓶图形(rubin vase)和内克尔立方体图形(necker cube)[1]. 在鲁宾花瓶图形中, 人们会时而知觉到两侧的两张面孔, 时而知觉到中间的花瓶. 而在内克尔立方体图形中, 人们的知觉会在仰视的立方体和俯视的立方体之间切换. 由于双稳态图形能在保持视觉输入恒定的情况下产生知觉上的变化, 所以该现象成为研究视觉意识的理想材料[1~4].

意识的切换、局部神经通道的疲劳、循环的决策等[1]. 虽然理论假设有很多, 但是大致可以把双稳态知觉的产生机制分为两种: 自下而上的被动接收过程和自上而下的主动调节过程[1]. “自下而上”的理论认为,

图1 双稳态图形: 鲁宾花瓶图形和内克尔立方体图形

目前, 人们对双稳态知觉的产生机制还不清楚. 神经疲劳和神经表征的交互抑制导致了双稳态的切

换, 早期视皮层的活动可以解释不同稳态之间的切很多理论都被提出用来解释双稳态知觉的形成, 如

换; “自上而下”的理论则认为, 双稳态的切换是由于 注意的波动、眼动的改变、刺激的复杂性、期望效应、

引用格式: 杜杨杨, 郝磊, 王勇超, 等. 双稳态知觉的脑机制. 中国科学: 生命科学, 2015, 45: 789–798

Du Y Y, Hao L, Wang Y C, et al. The brain mechanism of bistable perception. SCIENTIA SINICA Vitae, 2015, 45: 789–798, doi: 10.1360/N052015-00102

杜杨杨等: 双稳态知觉的脑机制

高级脑区对低级脑区的调控引起的, 虽然低级视皮层的活动和知觉状态相关, 但这些活动是由高级皮层产生并传递到低级皮层的. 目前, 两种理论都有一定的证据支持. 支持低级皮层活动理论的实验证据主要来自功能成像的结果, 功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)和脑磁图(magnetoencephalogram, MEG)的结果都发现, 人类视觉区的活动和知觉状态的变化紧密相关[5,6]. 更为重要的是, 随知觉状态发生相应变化的脑区和所采用的刺激有关, 例如, 采用运动点刺激实验发现的是编码运动的皮层如中部颞叶区(middle temporal, MT)和知觉相关[7,8], 而采用面孔刺激实验发现的是

编码面孔的皮层如梭状回面孔区(fusiform face area, FFA)和知觉相关[9,10]. 另外的一些证据则支持高级皮层的活动是导致知觉产生变化的原因. 例如, 来自病

人的研究发现, 前额叶损伤的病人知觉切换的能力

受损[11~13]. 采用脑电图(electroencephalogram, EEG)

和fMRI的研究也发现, 知觉状态的改变和顶 叶[14~16]、额叶[17]以及额顶网络[18,19]的活动紧密相连.

经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)的

研究表明, 对额叶、顶内沟或顶上小叶施加磁刺激之

后, 会显著降低知觉切换的频率, 进一步验证了额顶

区域在双稳态知觉中的重要作用[20~22].

综上所述, 目前有关双稳态知觉的神经机制的

讨论仍然没有一致的结论, 对于知觉状态发生改变的机制还不清楚. 造成这一情况的一个原因是大多数功能成像研究只发现和知觉状态相关的神经活动波动, 而没有揭示究竟哪个脑区产生了这一波动. 最近已有研究从大脑结构的角度出发, 探讨大脑的结构是否和知觉的稳定性相关, 结果发现, 上顶叶区域

的结构可以预测被试状态切换频率的快慢[23]. 但是

该研究的局限性在于仅考察了一种刺激的情况, 其结果是否特异于该种刺激还不得而知. 如果双稳态知觉的产生确实来源于高级皮层, 则其稳定性不应依赖于所选用的特定刺激. 据了解, 本研究是首次采用两种双稳态图形, 来考察双稳态知觉的内在共同机制, 发现了不同稳态知觉间确实具有紧密的联系, 并在此基础上发现了它们共同的结构基础, 为理解双稳态知觉的神经机制提供了重要的证据.

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1 材料与方法

1.1 被试

本研究在西南大学通过传单随机招募67名在校大学生参与该实验的研究(男性25人, 女性42人, 平均年龄(20.5±1.6)岁). 所有被试均为右利手, 没有任何心理或生理疾病史, 无色盲, 视力或矫正视力正常, 本实验通过了西南大学脑成像中心伦理委员会批准, 每个被试自愿签订了知情同意书, 并在实验结束后给予一定的报酬.

1.2 刺激与程序

行为学数据采集实验是在Matlab R2012a(Math

Works Inc., http://doc.guandang.net)软件环境下使用Psychtoolbox[24]工具包进行的. 实验使用鲁宾花瓶

图形和内克尔立方体图形两种双稳态图片(图1), 测量被试双稳态知觉的切换频率. 刺激大小为分别为237×318和400×360 pixel, 视角分别为8.39°×11.24°和 14.11°×12.71°. 每个试次开始时, 在屏幕的中央会

出现注视点“+”1000 ms作为提示, 之后在屏幕中央会呈现鲁宾花瓶或者内克尔立方体, 让被试一直把

注意力集中在双稳态图形上. 当图形出现后, 要求被

试根据知觉到的状态按键. 在鲁宾花瓶图形中, 如果

被试知觉到面孔, 则按住左键; 如果知觉到花瓶, 则

按住右键. 而在内克尔立方体中, 如果被试知觉为俯

视的立方体则按住左键; 如果知觉为仰视的立方体

则按住右键. 每个双稳态图形做两个组块, 每个组块持续6 min. 根据被试的反应结果, 鲁宾花瓶中每个组块的试次范围是31~263, 平均值是109, 标准差是54. 内克尔立方体中每个组块的试次范围是29~215, 平均值是83, 标准差是43. 本实验的显示设备使用

的CRT(cathode ray tube)显示器, 屏幕分辨率为1024×768, 刷新率为85 Hz, 被试眼睛距离屏幕约为57 cm. 1.3 MRI图 …… 此处隐藏：19035字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……