創造發明中頓悟的原型啟發腦機制

羅俊龍 覃義貴 李文福 朱海雪 田燕 邱江 張慶林

摘要科學界關于“原型啟發”催化創造發明中頓悟發生的事例十分普遍，從中國的“魯班從帶齒邊的茅草中得到啟發而發明鋸子”的傳說，到“瓦特從沸騰的開水壺上受到啟發而發明蒸汽機”的經典故事，都說明“原型啟發”是創造發明的一種重要思維方式。然而，由于創造發明思維過程的復雜性，國內外關于創造性思維腦機制的研究還停留在非科學問題解決的研究上。依據科學家運用原型啟發而成功發明創造的最新實例，項目組編制了《創造發明實驗問題材料庫》，并計劃以功能性磁共振成像(fMRI)和事件相關電位(ERP)作為技術手段系統探討原型啟發催化創造發明中頓悟發生的腦機制，例如，原型激活和啟發信息利用的腦機制、問題意識下靈感捕捉的腦機制以及原型知識表征、動機與情緒狀態、大腦工作狀態等因素對原型啟發影響的腦機制。該研究的開展，對理解人類的創造性本質具有重要的理論意義，對培養和激發人的創造力具有一定的實踐價值。

關鍵詞創造發明；頓悟；原型啟發；腦機制

分類號B842

1國內外頓悟腦機制研究現狀

創造性是人類文明的源泉(Dietrich&Kanso，2010)。創造性思維發生的一個重要特征就是它的突然性(Dietrich，2004)，所以頓悟成為心理學的一個重要研究領域。頓悟被認為是突然地、直覺性地以及清晰地獲得問題解決方法的過程(Bowden，Jung-Beeman，Fleck，&Kounios，2005)。它包含三個要素：一是舊的無效的思路被拋棄(即打破思維定勢)；二是新的有效的問題解決思路的實現(新異聯系的形成)(羅勁，2004)；三是會有一種恍然大悟的感覺，伴隨著強烈的“啊哈”體驗(Bowden&Jung-Beeman，2007；Bowden et al.，2005)。這三個要素是判斷頓悟是否發生的標準。

隨著認知神經科學的興起和發展，研究者們(Lavric，Forstmeier，&Rippon，2000；Luo&Niki，2003；Luo，Niki，&Phillips，2004)開創性的使用腦電(electroencephalogram EEG／event-related potential ERP)以及功能性磁共振成像(functionalmagnetic resonance imaging fMRI)技術對頓悟問題進行考察，這為探索頓悟的腦機制提供了較為直接的方法，同時也掀起了國內外研究頓悟腦機制的熱潮。

1.1國內頓悟腦機制研究

國內，研究者們基本以fMRI與ERP為技術手段，而且在實驗材料上也表現出了很大程度上的相似性，采用謎語或與漢字生成有關的任務。

1.1.1fMRI研究

羅勁等人首先采用傳統的謎語作為實驗材料，通過向被試呈現標準答案來“催化”頓悟的過程(Luo&Niki，2003；Luo et al.，2004；羅勁，2004)，結果發現前扣帶回(anterior cingulate cortex，ACC)、左腹外側前額葉(left ventral lateral prefrontal cortex，LVLPFC)、以及海馬(hippocampus)等腦區參與了頓悟問題解決過程。其中，他們2003年在Hippocampus雜志上報告的結果是第一項有關人類頓悟過程的腦成像研究(羅勁和張秀玲，2006)。隨后，他們(Luo，Niki，＆Knoblich，2006)采用漢字組塊破解任務進一步對頓悟問題進行探討，發現早期的知覺過程對問題解決有至關重要的作用。

最近，邱江和張慶林等(2010)采用字謎作為實驗材料，在“學習一測試”范式下通過提供啟發信息探討了被試主動獲取答案的頓悟過程，發現楔前葉(precuneus)、左側額下／中回(left inferior／middle frontal gyrus)、枕葉下回(inferior occipital gyrus)和小腦(cerebellum)等腦區參與了頓悟過程。在該研究基礎上，田芳等人(Tian et al.，2011)進一步分析了測試字謎謎面出現之前的準備狀態對頓悟問題解決影響的腦機制，發現左側額中廠前回(left middle／medial frontal gyms)、左顳中／上回(left middle／superior temporal gyrus)、右小腦(right cerebellum)以及左側中央后回(left postcentral gyrus)等腦區參與了對頓悟問題正確解決的準備狀態。

1.1.2ERP研究

在答案催化頓悟范式下，買小琴等人(Mal，Luo，Wu，&Luo，2004)同樣以謎語作為實驗材料，首先考察了謎語問題解決中答案呈現后的腦內時程動態變化，發現答案呈現以后，“有頓悟”比“無頓悟”誘發了一個更加負性的ERP成分(N380)，他們認為該成分可能反映了頓悟問題解決過程中思維定勢的打破。類似于買小琴等的研究范式，邱江等人(2006)也采用呈現答案催化頓悟的方式，考察了字謎問題解決過程中頓悟的腦內時程動態變化，發現“有頓悟”和“不理解”比“無頓悟”誘發了一個更加負性的ERP成分(N320)。研究者認為該負成分反映了新舊思路之間的認知沖突。最近，沈汪兵等人(2011)采用同樣的催化頓悟范式，考察了三字字謎問題解決中謎底所誘發頓悟的時間進程以及半球差異，結果發現謎底出現后，“有頓悟”和“不理解”比“無頓悟”誘發了一個更負的ERP成分(N380)，，研究者認為N380可能反映了頓悟中舍棄強外顯意義而選擇弱內在隱喻意義的認知抉擇過程，而且右半球在“頓悟”中表現出優勢效應。

在“學習－測試”范式下，邱江和張慶林等人以字謎為實驗材料，開展了一系列有關字謎問題解決過程中謎面出現后的腦內時程動態變化研究。例如，邱江和張慶林(2007)首先操縱了兩個實驗條件，一類是“真配對”條件，即學習字謎的解決方法可以用以測試字謎的解決；一類是“再認”條件，即學習字謎和測試字謎是一樣的，發現測試字謎謎面呈現后的300～350ms和600～700ms內，“猜中”比“再認”分別誘發出一個更負的ERP成分(N350)和一個更正的ERP成分。隨后，邱江等人(Qiu et al.，2008b)除了考察“真配對”條件外，還操縱了一類“假配對”條件，即學習字謎和測試字謎之間沒有解決方法上的共通性，結果發現成功解決字謎比沒有解決的情況在測試字謎謎面呈現后的200～600ms內誘發了一個更加的ERP成分(P200-600)，在1500-2000ms和2000-2500ms內誘發了更負ERP成分(N1500-2000和N2000-2500)。在該研究(Qiu et al.，2008b)基礎上，他們(Qiu，Li，Jou，Wu，＆Zhang，2008a)進一步分析了

謎面出現之前的準備狀態對頓悟問題解決的影響的ERP效應，結果發現測試字謎在謎面出現之前的1000到-800ms內，成功解決字謎比沒有解決的情況誘發了一個更正的ERP成分。最近，羅俊龍等人(Luo et al.，2011)又進一步細化出了三個實驗條件，一類是表面相似性條件，學習字謎和測試字謎在謎面上有相同的文字；一類是結構相似性條件，學習字謎和測試字謎在謎面上沒有相同的文字；一類是簡單的基線條件，學習字謎和測試字謎都是簡單字謎任務，結果發現測試字謎謎面出現后的300～500ms以及1000～1300ms內結構相似性比表面相似性均誘發了更負的ERP成分，900～1700ms內表面相似和結構相似均比基線條件誘發更正的ERP成分。

此外，一些研究者或從不同角度或用其他范式或以新的漢字生成任務為頓悟問題對頓悟的腦機制進行了考察。例如，唐曉晨等(2009)利用漢字組塊破解任務和ERP技術從蔡格尼克效應的角度探討了大腦左右半球在問題求解失敗以及關鍵提示信息出現兩階段的腦內時程動態變化，結果發現問題求解失敗在右半球誘發了更大的P150成分；對于沒解決的問題在提示信息出現后也在右半球有明顯分布。還例如，王婷等(Wang et al.，2009)在沒有任何提示信息下直接呈現字謎的謎面讓被試進行問題解決，他們主要考察了謎面出現后的腦內動態時程變化，發現在額中部頓悟問題比常規問題誘發了更負的ERP成分(N300-800和N1200-1500)；在頂枕部頓悟問題比常規問題誘發了更正的ERP成分(P300-800和P1200-1500)。再例如，類似Aziz-Zadeh等(Aziz-Zadeh，Kaplan，&Iacoboni，2009)使用的變位字謎任務(anagrams，例如由幾個顛倒順序的字母“oxmia”來生成一個單詞“axiom”)，張猛等(Zhang，Tian，Wu，Liao，&Qiu，2011)以漢字為實驗材料(如，由“愍”生成“想”)讓被試報告在問題解決過程中是通過頓悟還是搜索得到的答案，結果發現頓悟答案比搜索答案誘發了更正的ERP成分(P200-600和P640-780)。

1.2國外頓悟腦機制研究

國外，有關頓悟腦機制研究的技術手段上較國內更具多樣性。除了fMRI和ERP外，EEG以及PET(positron emission tomography)也被研究者用于探討頓悟的大腦奧秘。在實驗材料上，國外研究采用了不盡一致的頓悟性問題，這些問題之間甚至缺乏可比性。

1.2.1腦成像研究(fMRI和PET)

Jung-Beeman和Bowden等人(Bowden＆Jung-Beeman，2007；Bowden et al.，2005；Jung－Beeman et al.，2004)一直致力于揭示頓悟的大腦機制。他們(Jung-Beeman et al.，2004)利用fMRI技術考察了被試頓悟性地解決遠距離聯想任務(例如，呈現pine、crab、sauce三個詞，要求被試找到一個詞使其與任意一個能組合成常見的新詞)的神經活動。結果發現，頓悟激活的腦區主要位于右半球前顳上回(right hemisphere anterior superior temporal gyrus)。因此Jung-Beeman等認為，右側前顳區負責在原本不相關的信息之間建立新的聯系。

不過，在一系列其他研究中，研究者們發現大腦的雙側不同腦區均參與了頓悟性的問題解決過程。例如，Rose等(Rose，Haider，&Buchel，2005；Rose，Haider，Weiller，&Buchel，2002)采用fMRI技術對減數字任務(Number Reduction Task)的探討；Starchenko等(2003)采用PET技術對不同詞(12個)用其他詞進行連接任務的探討；Kounios等(2006)采用fMRI技術進一步對遠距離聯想任務的探討；Aziz-Zadeh等(2009)采用單試次fMRI技術對變位字謎(anagrams)的探討；Bechtereva等(2004)采用PET技術對遠語義距離詞(16個)編故事以及不同詞(12個)用其他詞進行連接任務的探討等。

1.2.2EEG／ERP研究

采用EEG／ERP對頓悟進行研究，最早可追溯到Lavric等(2000)對經典的頓悟問題(例如，蠟燭和雙繩問題)的探討，結果發現分析性問題(四卡問題)比頓悟問題在頭皮的前部誘發了更正的P300成分，據此，研究者認為頓悟問題解決較少依賴計劃以及工作記憶。此后，研究者們利用EEG／ERP技術展開對該領域不同實驗任務的探索。例如，Danko等(2003)采用EEG對不同詞連接性的頓悟問題(同Starchenko et al.，2003)進行了探討，結果發現頓悟問題在前額區域的各個頻段表現出了較低的一致性，頂區和額區的α事件同步性降低，而在顳區增強。Lang等(2006)利用EEG／ERP對減數字任務(同Rose et al.，2005，2002)也進行了考察，發現相對于沒有成功解決的被試而言，成功解決的被試誘發了更大的ERP成分(如：N1、P3a、P3b以及slow positive wave)。Kounios等(2008)采用變位字謎(4－5顛倒順序的字母來生成一個字)作為頓悟問題，發現右下額皮層和顳前區表現出來更大的α波、β波以及丫波與頓悟策略有關。

此外，在一系列以遠距離聯想任務為頓悟問題的研究中，研究者們采用EEG技術也對頓悟進行了較為深入的揭示。例如，在Jung-Beeman等(2004)的研究中，他們實際上是把EEG和fMRI相結合來對頓悟進行探討，其中EEG分析顯示在頓悟前的0.3秒于右半球前顳上回誘發出一個突然發生的高頻γ波。隨后，Kounios等(2006)進一步發現，較無頓悟情況，頓悟情況在額中區、顳區、軀體感覺區以及右下額皮層等表現出了更小的α波。Sandkuhler和Bhattacharya(2008)深入考察了頓悟問題解決過程中四個特征的神經機制，即進入問題的僵局、重組問題、深入理解以及突然獲得答案，結果表明重組情況下右顳區表現出了更大的α波，而右前額區表現出了更小的α波。γ波效應反映了選擇性注意以及無意識獲得解決方法的過程。

綜上所述，由于頓悟活動本身的復雜性，采用不同的實驗范式及創造性問題、使用采用不同的技術手段，頓悟的腦機制的研究結果就會出現很大的差異，有時會相互矛盾(Dietrich＆Kanso，2010)。

2理論框架

根據認知心理學的觀點(王娃，汪安圣，1992)，問題解決就是利用各種算子(手段)來改變問題的初始狀態，逐步達到目標狀態。問題解決可以分

為常規問題解決與創造性問題解決。常規問題解決中，個體可以通過回憶已有知識經驗把問題由初始狀態順利轉化為目標狀態。然而，創造性問題中，很難搜索到有效算子(手段)使初始狀態成功地轉化為目標狀態。這樣一來，個體在沒有啟發信息的提供下，很容易進入錯誤的問題空間，并可能產生定勢，使問題解決百思不得其解。如果受到原型的啟發，就可以運用原型中所包含的啟發信息，使問題空間的搜索從算法式轉變為高效率的啟發式搜索，從而促進問題的快速解決。

許多創造發明者在面對百思不解的“科學難題”的時候，往往不經意間從一個表面上無關的事物中獲得啟發，獲得靈感，而忽然間找到解決問題的新思路(頓悟)。靈感是如何閃現的，為什么創造發明者能夠“獨具慧眼”從表面上無關的事物中獲得啟發，一直是一個令人感興趣的課題。根據對創造性思維所進行的深入研究和思考，張慶林等人基于科學界關于“原型啟發”催化頓悟產生的普遍事例(王極盛，1981)，提出了頓悟問題解決的“原型啟發”理論(張慶林，邱江，曹貴康，2004)。該理論認為，在解決頓悟問題的過程中，如果能夠在大腦中激活恰當的原型及其所包含的“啟發信息”，那么頓悟就能夠發生。頓悟的“原型啟發”包含兩個加工階段：第一階段是“原型激活”，即想到對眼前問題有啟發作用的某個已知事物(原型)；第二階段是原型中的“關鍵啟發信息利用”，即想到原型中所隱含的某個關鍵信息(如原理、規則、方法等)對眼前問題的解決有啟發作用(田燕，羅俊龍，李文福，邱江，張慶林，2011)。從中國的“魯班從帶鋸齒邊的茅草中得到啟發而發明鋸子”的傳說，到“瓦特從沸騰的開水壺蓋上受到啟發而發明蒸汽機”的經典故事，都說明“原型啟發”在頓悟中的重要地位。該理論自提出以后，先后得到一系列行為實驗的初步檢驗(張慶林，邱江，2005；曹貴康，楊東，張慶林，2006；任國防，邱江，曹貴康，張慶林，2007；吳真真，邱江，張慶林，2008)，并且原型啟發的兩個加工階段“原型激活”和“關鍵啟發信息利用”也被證明是存在的。

原型啟發理論認為：(1)問題解決者之所以能夠從表面上無關的原型事物中獲得啟發信息，是因為人腦具有一種“自動響應機制”，即，問題解決者在不經意間偶然遇到表面上無關的原型事物時，頭腦中的“科學難題”會自動激活，因此很容易將原型事物中所包含的啟發信息運用于“科學難題”解決(獲得靈感)，從而換用高效率的啟發式搜索；(2)高創造性者之所以能夠“獨具慧眼”，是因為他們在“大腦自動響應機制”上具有一定的優勢。

“大腦自動響應機制”是如何實現的?其可能的工作原理是什么?原型啟發理論假設，問題解決者在遇到表面上無關的原型事物的時候，之所以能夠自動激活“科學難題”(參見下文‘3研究構想中所舉實例)，是由于問題解決者對原型的表征和對問題的表征兩者之間包含了相同的語義：當問題解決者遇到表面上無關的原型事物時，如果對原型的表征建立了一個特定的“構造一功能”連結(如，蝦殼的“環狀連接”是“構造”，“既堅硬又可以彎曲”是“功能”)，并且對科學問題的表征也已經建立了一個“構造?一功能目標”的表征(如，“宇航服如何構造”就是一個“構造?”表征，“既堅硬又可以彎曲”則是“功能目標”的表征)，那么，二者在語義表征上存在的共同成分就會導致一種“自動響應”，類似于物理上的共振現象。也就是說，問題解決者在遇到表面上無關的原型事物的時候之所以能夠自動激活“科學難題”，是因為問題解決者對原型表征中所包含的特定語義激活了“問題表征”中的共同語義成分，并因此激活了整個“問題表征”，因此可以在工作記憶中同時加工“原型”和“問題”，兩者聯系在一起的結果是問題解決者能夠從原型的“構造”中獲得啟發信息而解決“問題”中的“構造?一功能目標”表征中的“構造”的缺失。

由于“原型”和“問題”之間具有共同的語義成分，這意味著在原型啟發過程中兩者之間有共同的腦細胞群激活，因此“原型”和“問題”之間在fMRI上應該記錄到某個(或某些)腦區的激活強度有顯著的相關。

高創造性者為什么能夠更加“獨具慧眼”?原型啟發理論的假設是：第一，高創造性者對“科學難題”具有更高的“孜孜不倦”的追求，即具有更強的“蔡格尼克效應”。蔡格尼克效應表明，人們對于那些未能完成的任務的記憶有時會比對已完成任務的記憶更好(Zeigarnik，1927)。而個體對問題的孜孜不倦的追求會導致對問題的感受性提高(激活的閾限降低)，因此更容易在面對原型的時候激活“科學難題”。而這種感受性的高低與個體的“創造性人格特征”的高低有關。課題組已經發現，《威廉姆斯創造性傾向》量表的得分與原型啟發測量分數顯著相關(朱海雪等，刊印中)。第二，由于高創造性者對“科學難題”的“孜孜不倦”的追求導致對問題表征的“興奮性”的提高，并無意之中影響對表面上無關的原型事物的表征。例如，如果沒有宇航服問題的“構造?－功能目標”的表征的“啟動效應”，被試對蝦子也不會形成“環狀連接”與“既堅硬又可以彎曲”的連結(一種“構造一功能”式的表征)。課題組已經發現“先問題一后原型”的實驗條件下原型啟發的測試分數顯著高于“先原型，后問題”的條件，出現了“位置效應”(朱海雪等，刊印中)，并在進一步的fMRI研究中發現了問題表征對原型表征的“啟動效應”的腦區(另文發表)。第三，從邏輯上講，是原型表征影響問題表征，還是問題表征影響原型表征?其實兩者之間不是單純的因果關系，“大腦自動響應機制”是一種并行加工。高創造性者似乎更善于進行這種并行加工(或許在單純的因果關系的推理方面，高創造性者與低創造性者并沒有顯著的差別)，這一觀點有待進一步檢驗。第四，高創造性者更善于洞察問題的關鍵所在，更善于將紛繁復雜的問題簡約成“構造?一功能目標”的表征，并形成一個問題圖式。正是由于“構造?－功能目標”表征的存在，高創造性者才更容易對原型的表征產生“啟動效應”，也更容易在共同語義基礎上形成“自動響應”。

3研究構想

在以往創造性問題的研究中，如裝缸問題、九點問題、火柴問題，蠟燭問題，雙繩問題等都為數不多，并且這些問題的性質、特征、復雜程度等也都各不相同，不具備等值性。字謎、謎語、遠距離聯想以及變位字謎等作為實驗材料雖然解決了數量問題從而能夠進行腦機制研究，但歸結到一點，這些材料都還停留在非科學問題(例如，知識貧乏問題)上，帶有人工性問題的特點。利用這些問題雖然能在實驗室的條件下對高級認知活動進行研究，也能對額外變量進行很好地控制，但其生態效度往往不高。作為與現實生活中密切相關的創造性思維的產生不能脫離對實際問題的研究。因此，在已有研究的基礎上進一步探討更為符合創造性思維產生過程的科學性實際問題的

頓悟機制，成了一個很迫切、又很困難的任務。

實際上，朱丹等(2011)已經成功編制了《創造發明實驗問題材料庫》，而且該庫經過了一系列的參數測試(正確率、反應時、難度系數、啟發量等)和多項認知實驗的檢驗。例如，田燕等人(2011)考察了原型表征對科學問題解決過程中的啟發效應的影響。

該庫共篩選出84個測試題目，都是在各個學科領域內收集到的最新的創造發明的實例。這些問題都很難，難在人們容易從常規的知識出發產生思維障礙，但是一旦獲得某種原型啟發，靈感就會忽然降臨。因此，這些問題都具備了頓悟問題的基本特征：第一，在沒有原型啟發的條件下這些題目都很難以解決(容易產生問題表征的錯誤和思維定勢的限制)；第二，在獲取原型啟發之后一般都會“豁然開朗”，問題很快得到解決(思維定勢被打破，形成恰當的問題表征并進入正確的問題空間，原型與問題之間的“新異聯系”得以形成)；第三，找到答案之后會產生恍然大悟的感覺和愉悅的情緒體驗(“啊哈”體驗)。

下面是84個測試題目的一個實例：

科學問題：中國神六航天飛船上天之前，科學家們被宇航服的設計難住了。宇航員出艙時候穿的宇航服，既要有一定的堅硬度能夠承受氣壓，又要能夠自由彎曲，便于宇航員出艙操作。怎樣使宇航服既有硬度又能自由彎曲呢?

原型：煮熟的蝦子，其身體部分的外殼，既堅硬又可以彎曲。

參考答案：將宇航服需要自由彎曲的部位做成蝦子外殼的樣子。

這84個測試問題，涉及生物、物理、化學等學科領域，每一個測試問題都“一對一”地配備一個“原型事件”(共84個不同的原型)。

此外，本研究還編制了40個常規性問題(用作實驗中的基線條件)，例如魯班從帶齒邊的茅草中得到啟發而發明鋸子的經典例子。該類問題與新近創造發明問題最大的區別在于，這些例子是人們都知道的常識性例子，在沒有原型啟發的條件下可以通過已有的知識經驗進行解決。

本項目將在已有研究的基礎上，以頓悟的“原型啟發”為理論框架，以《創造發明實驗問題材料庫》為實驗材料，以fMRI和ERP作為記錄手段，系統探討創造發明問題解決中原型啟發催化頓悟發生的認知和神經機制，例如，原型激活和啟發信息利用的腦機制、問題意識下靈感捕捉的腦機制以及原型知識表征、動機與情緒狀態、大腦工作狀態等因素對原型啟發影響的腦機制。根據理論框架，本項目擬解決以下幾個關鍵的科學問題：

第一，按照頓悟的原型啟發理論，原型激活是自動加工，而原型中所包含的啟發信息的利用過程是控制加工，如何將這兩者分離，是一個難題。本項目分別采用“一對一”、“多對多”和“群對群”的“原型學習一問題測試”范式，有效地對兩種加工機制實行有效的分離。

第二，如國內學者羅勁指出(羅勁，張秀玲，2006；邱江，張慶林，2011)，頓悟問題本身的特殊性(頓悟發生的時間不可預期和復雜性)以及認知神經技術特殊要求(采用足夠多的心理事件進行疊加)會導致個體可能在遇到問題的幾分鐘之內頓悟，也可能在幾個小時或幾天后頓悟，也可能在沒有外來幫助的情況下永遠也不會頓悟?；谶@種情況，我們主要探討“原型啟發”催化創造發明中頓悟這一種重要思維方式。這樣一來，我們就可以通過提供原型(包含啟發信息)幫助被試在實驗要求的時間內采用啟發式搜索從而很快產生頓悟，使被試在實驗中“數十次地”重演科學家發明過程中的頓悟思維，并進行fMRI和ERP的數據采集和分析。

第三，由于創造發明中的頓悟屬于“知識豐富領域”的問題，所以被試的“已有知識”這一無關變量成為實驗控制的難題。本項目采用“原型知識學習”這一控制措施，確保被試都具備創造發明中的頓悟問題解決所需要的啟發性知識，并具有同樣的“新近性”和“預熱程度”。同時，即使“原型知識學習”條件相同，不同的人在不同場合下，導致的對原型知識的表征是不相同的，這將導致原型啟發的效果和機制各不相同，本項目將原型表征設定為自變量，加以有效操縱，深入揭示“原型表征”如何影響原型啟發的認知和神經機制。

第四，由于創造發明中的頓悟，往往是在“不經意”中發生的，正如醞釀效應的許多行為研究所揭示的那樣，所以在腦成像的研究中難以真正捕捉這樣的“不經意”記錄機會(而且需要“數十次地”重復記錄)。本項目將動機、情緒以及“大腦工作狀態”等作為自變量加以操縱，以揭示創造發明中頓悟發生的條件及其認知神經機制。

3.1研究一：創造發明中原型激活與啟發信息利用的腦機制

如上所述，以字謎為實驗材料，在頓悟的“原型啟發”的腦機制研究方面，本項目組在“學習一測試”范式下取得了一系列成果(Qiu et al.，2010；Qiu et al.，2008b)，主要得到了以下研究結論：原型啟發促發頓悟主要涉及原型激活和關鍵啟發信息提取，在大腦激活上主要與楔前葉有關，在ERP指標上主要與P200-600成分有關。研究一首先以《創造發明實驗問題材料庫》為實驗材料，分別采用“一對一”和“群對群”的“原型學習一問題測試”范式，利用fMRI作為技術手段，記錄分析創造發明中頓悟的原型啟發的大腦激活狀態?！耙粚σ弧狈妒?一個原型配對一個測試問題)，具有“類比遷移”的特點，被試可以直接對原型中的隱含的關鍵信息進行提取，那么該范式下可以直接對“關鍵信息提取”的腦機制進行揭示。而“群對群”范式下，如何從眾多的原型中激活與之對應的信息涉及到的認知過程，可能首先是某一原型的自動激活(原型激活)，進而才是對原型中啟發信息的利用。這樣一來，通過比較“群對群”范式和“一對一”范式的腦機制的差別，可以揭示“原型自動激活”的這一腦機制。此外，采用“5對5”的“原型學習－問題測試”范式，利用ERP作為技術手段，進一步記錄分析“原型激活”以及“啟發信息利用”的腦內動態時程變化過程，具體而言：

實驗1采用“一對一”范式：即先讓被試學習一個原型(學習階段)，然后再讓被試解決與之對應的一個創造發明問題(測試階段)。對正確解決創造發明問題和常規問題的思考過程的fMRI數據進行對比分析。

實驗2采用“群對群”范式：第一天被試在行為實驗室里學習完70個原型材料(40個創造發明的原型材料，30個常規問題的原型材料)，第二天被試進入磁共振實驗室去解決隨機呈現的創造發明問題與常規問題(測試階段)，問題出現順序隨機化。

實驗3采用“5對5”范式：即先讓被試學習5個原型(學習階段)，測試階段隨機呈現與之對應的5個問題。對正確解決創造發明問題和常規問題的思考過程的ERP數據進行對比分析。可以在一定程度上揭示“原型激活”以及“啟發信息利用”的ERP效應。

3.2研究二：創造發明中問題意識下靈感捕捉的腦機制

蔡格尼克效應反映了人們對未完成任務的注意保持。創造發明中的頓悟往往是在對問題的孜

孜不倦的追求中忽然出現的，靈感往往青睞那些有準備的頭腦，所以當人們面臨原型事件的時候，只有在頭腦中存在一個問題(問題意識)，才能夠有效激活原型并解決問題。如上提到，唐曉晨等(2009)已經從蔡格尼克效應的角度對頓悟的神經機制進行了探討，但關于這方面的研究還有待進一步深入。因此，研究二將操縱“問題意識”，以fMRI作為技術手段，探索“問題意識”下靈感捕捉的腦機制。具體為：

實驗4采用“群對群”范式：不同的是采用“先呈現問題一后呈現原型”的實驗程序。第一天被試在行為實驗室里試著解決40個創造發明問題(根據前期建庫研究，我們預期在沒有原型啟發的條件下這些題目都很難以解決，這樣就使被試產生了類似于“蔡格尼克效應”的“問題保持意識”)，第二天被試在磁共振掃描儀里被隨機呈現80個原型，其中40個原型對應于前一天沒有解決出來的40個問題(預期很多會產生靈感捕捉)，另外40個原型與之前的問題無關(預期較少會產生靈感捕捉，作為一種基線條件)，被試的任務即當原型出現之后思考當前的原型信息可以用來幫助解決之前40個問題的哪一個。通過靈感捕捉條件與基線條件進行比較，可以探索“問題意識”下靈感捕捉的腦機制。

3.3研究三：創造發明中原型表征對原型啟發影響的腦機制

創造發明中的頓悟問題屬于“知識豐富領域”問題，涉及到如何表征原型知識才有助于“原型激活”并將原型所包含的啟發性知識運用到問題解決之中。田燕等(2011)以《創造發明實驗問題材料庫》為實驗材料的研究發現，被試在學習原型的時候，呈現原型的方式不同(加入能夠突出原型的科學原理的標識或突出原型形象的插圖)，結果表明標識和插圖在問題解決上存在顯著交互作用，反映出原型啟發的思維過程是復雜的，表現出靈活性、經濟性的特點。因此，研究三將以田燕等(2011)研究為基礎，在原型學習階段中對“原型表征”進行操縱，以fMRI作為技術手段，探測原型表征的差異對創造發明頓悟中原型啟發效應影響的腦機制。具體為：

實驗5類似于實驗4，采用“先呈現問題，后呈現原型”的“9對9”實驗程序。不同之處在于，問題和原型呈現階段都進行掃描。本實驗下，自變量為原型學習階段呈現原型方式的不同(是否加入能夠突出原型的科學原理的“標題”和是否加入能夠突出原型形象的“插圖”)，統計分析“標題”和“插圖”兩個自變量在問題解決上的主效應和交互作用(行為指標)及其腦區激活上的主效應和交互作用(fMRI指標)，以考察“原型的形象思維”和“科學原理的抽象概括”在原型啟發中的不同作用機制。

實驗6采用與實驗5基本相同的實驗范式，不同之處是：原型學習階段呈現原型方式(自變量)的處理改變為，“是否突出原型材料中體現科學原理的文字”(加黑處理)和“原型材料與創造發明問題材料兩者之間是否有顯著的共同文字”，結果的處理同樣是統計分析兩種處理條件下行為指標和fMRI指標上的主效應和交互作用，以考察問題與原型之間“文字上的表面相同”和“科學原理上的深層語義相同”在原型啟發中的不同作用機制。

3.4研究四：動機與情緒對創造發明中的原型啟發效應的影響

由于靈感往往是在“不經意”中發生的，是在“散焦注意”(而不是集中注意)的情況下發生的，所以，過強的動機和過強烈的情緒狀態，可能不利于頓悟的發生。李亞丹等(2012)以字謎為材料，采用“原型學習，問題測試”范式，考察不同競爭水平(高、中、低競爭強度和無競爭)情境下誘發的情緒效價(積極、中性和消極)對頓悟中的原型啟發的影響，結果發現競爭水平以及誘發的情緒對字謎問題解決中的原型啟發有顯著影響，并且二者之間存在交互作用。以李亞丹等(2012)研究為基礎，研究四將操縱動機和情緒，以fMRI作為技術手段，探測動機與情緒狀態對創造發明中原型啟發效應影響的認知與神經機制。

實驗7采用與實驗5基本相同的實驗范式，操縱動機的性質(內部動機與外部動機)和動機的強度，探測動機對創造發明中原型啟發效應影響的認知與神經機制。擬采用不同強度的鼓勵作為內部動機的激發手段，以不同額度的獎金的作為外部動機的激發手段。

實驗8采用與實驗5基本相同的實驗范式，操縱情緒的效價、喚醒度、強度，探測情緒對創造發明中原型啟發效應影響的認知與神經機制。擬使用經中科院心理所改編后的國際情緒圖片系統，選取愉悅度、喚醒度、強度不同的圖片作為情緒誘發材料。

3.5研究五：大腦工作狀態對創造發明中的原型啟發效應的影響

動機與情緒的影響，或許是通過對大腦工作狀態的影響而間接發生作用的。研究五在研究四之外，將更直接研究大腦的工作狀態對創造發明中原型啟發的影響。操縱大腦工作狀態(如，不同的疲勞狀態、入靜放松狀態、催眠狀態、飲酒的麻痹狀態等)，以fMRI作為技術手段，探討大腦的不同狀態對創造發明中原型啟發效應影響的認知和神經機制。

采用與研究四基本一致的“群對群”范式，研究大腦不同工作狀態對創造發明頓悟中原型啟發影響的腦機制。例如：

實驗9通過對有午睡習慣的被試是否“剝奪午睡”的控制來操縱大腦的疲倦程度，以研究大腦疲倦程度對創造發明中原型啟發效應影響的神經機制。

此外，在以上五個研究的基礎上，本項目還將從“特殊腦損傷病人的驗證研究”等角度展開進一步的深入探討。

4小結

現實生活中，人們通常是在對問題百思不得其解情況下遇到某一啟發信息后產生對該問題的解決方法。因此，研究二和研究三下采用的“先呈現問題一后呈現原型”范式更符合創造性思維產生的過程(朱海雪，羅俊龍，楊春娟，邱江，張慶林，印刷中)。而研究一下，采用“一對一”和“群對群”的“原型學習一問題測試”范式，則是對以字謎為實驗材料所揭示的楔前葉等腦區在原型啟發過程扮演重要作用結果的驗證。

基于本項目的理論框架和研究構想，研究二下的結果對于揭示問題表征與原型表征間的“自動響應機制”能提供重要的參考。研究三下，通過記錄分析被試在問題表征階段以及原型表征階段的大腦激活模式，力圖找到兩段認知過程下是否有激活高度相關的腦區，為進一步揭示“自動響應機制”下產生共振現象提供依據。研究四和五能夠為揭示創造發明中頓悟的“自動響應機制”發生的條件及其認知神經機制提供重要的信息。

總之，相信該項目的開展，能為揭示創造發明中頓悟發生的條件和機制創造條件，為理解人類的創造性思維的本質提供科學依據，為人的創造力的培養和開發提供借鑒和啟發。