【学术快报】张航研究组提出视觉启动效应背后的计算机制

2020年4月29日，北京大学心理与认知科学学院、北京大学IDG麦戈文脑科学研究所、北大-清华生命科学联合中心的张航研究组在 Journal of Neuroscience 期刊上发表论文，提出了一个新的计算模型用以解释人类认知过程中广泛存在的视觉启动效应，认为启动效应不是大脑对外界启动刺激的固化响应，而是大脑在固有的注意振荡与对未来目标的时间预期共同作用下的涌现特征。

启动效应是指人们对事物的反应快慢会受到之前遇到的类似事物的影响。如下图所示，当启动刺激和目标刺激同为朝左或朝右的箭头时，相比二者为相反方向的箭头，人们的反应速度有可能会更快（正启动）或更慢（负启动）。

即使当启动刺激的特征完全无法预测目标刺激的特征时（例如，二者相同和相反的概率各为50%），启动效应仍然存在。多数前人理论因而将视觉启动效应视为大脑对外界启动刺激的一种固化响应，集中于探讨启动刺激如何影响相关特征的激活或抑制。然而，鲜有理论能够完整地解释启动效应随着启动与目标刺激之间的时间间隔而发生的动态变化，更难以解释近期罗欢研究组在实证研究中所发现的启动效应的周期性振荡现象 (Huang et al., 2015)。

论文作者提出了振荡式时间预期模型（Oscillated Temporal Expectation Model，简称OTEM），试图用一个统合的机制去解释各种启动效应及其时间动态特性。模型假设，启动刺激出现后，大脑会为即将出现的目标积极进行准备。一方面，启动刺激会引发大脑的注意振荡，使得相关特征的注意增益随着时间而发生周期性的变化；另一方面，目标刺激出现的时间规律影响着大脑对未来目标的时间预期，决定着时间增益。最终，注意增益和时间增益的共同作用决定了大脑在目标出现时对目标的准备程度，准备程度越高则反应时越短。虽然模型假定大脑对相关特征从未有过持久的激活或抑制，注意振荡在不同特征上的相位差会给与启动刺激相似的目标刺激带来先发优势或劣势，使得模型可以产生出持久的正启动或负启动效应。

OTEM模型不但为前人文献中经典的正启动效应、负启动效应和新近发现的振荡式启动效应及其时间动态特性提供了统一的量化的解释，而且预测，启动效应会随着时间预期或注意振荡的变化而变化。在两个新实验中，论文作者分别操纵了时间预期和注意振荡，发现了符合模型预期的新现象——当时间不确定性降低时，启动效应会增大；当注意振荡减弱时，启动效应会减小甚至消失。

与前人理论相比，OTEM的理论假说在两个方面具有颠覆性：一是以日益受到关注但仍然相对非主流的注意振荡现象为前提，反过来解释了经典的正启动和负启动效应；二是指出启动效应在很大程度上取决于大脑对未来目标的时间预期。

输

本研究得到国家自然科学基金、北大-清华生命科学联合中心、北京大学机器感知与智能教育部重点实验室、深圳市科技创新委员会与广东省脑连接图谱重点实验室的资助。北京大学心理与认知科学学院张航研究组的博士研究生王牧之为论文第一作者。北京大学心理与认知科学学院、北京大学 IDG 麦戈文脑科学研究所的罗欢研究员和中国科学院深圳先进技术研究院的黄艳副研究员也对论文做出重要贡献。

References

Huang, Y., Chen, L., & Luo, H. (2015). Behavioral oscillation in priming: competing perceptual predictions conveyed in alternating theta-band rhythms. Journal of Neuroscience, 35(6), 2830-2837.

Wang, M., Huang, Y., Luo, H., & Zhang, H. (2020). Sustained visual priming effects can emerge from attentional oscillation and temporal expectation. Journal of Neuroscience, 40(18), 3657-3674.

https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2539-19.2020

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