注意資源數量對內隱序列學習的影響:來自ERP的證據*

劉靜遠，鐘毅平

(湖南師范大學教育科學學院，湖南長沙410081)

注意資源數量對內隱序列學習的影響:來自ERP的證據*

劉靜遠，鐘毅平

(湖南師范大學教育科學學院，湖南長沙410081)

內隱學習有別于傳統的外顯學習，它是一種不知不覺的學習過程，是有機體與環境接觸時，無目的、自動地獲得事件或客體間結構關系的過程。內隱序列學習是內隱學習研究的主要范式之一。目前關于序列學習的腦機制的研究還比較薄弱，利用腦電事件相關電位(ERP)對序列學習進行的研究還比較少。本研究運用ERP的技術手段，通過操縱分心刺激的數量來考察注意資源數量對內隱序列學習的影響，結果從電生理層面支持了Shanks和Channo(2002)的觀點。

注意資源;內隱;序列學習;ERP

一、研究背景

1．內隱序列學習

內隱學習有別于傳統的外顯學習，它是一種不知不覺的學習過程，是有機體與環境接觸時，無目的、自動地獲得事件或客體間結構關系的過程［1］。第一篇以內隱學習為題的論文，是美國心理學家A．S．Reber于1967年發表的文章“人工語法的內隱學習”(Implicit Learning of Artificial Grammar)，在這篇文章中，內隱學習的概念被首次提出，內隱學習由此正式成為心理學研究者們關注的對象［2］。

有序地產生有組織的行為是人類心理機能的基本特點。獲得關于事件或行為的序列知識對于人們的日常學習和生活至關重要［3］。近年來，有關內隱學習的研究發現，人們在序列學習中可以獲得無意識知識，這些知識雖然會影響行為，但是人們卻意識不到它們［4～6］。大量實驗表明，序列學習的習得行為表現可以獨立于外顯知識的獲得，即:即使被試并未意識到序列規則的存在，也不能對其正確再現，其行為仍可體現出學習效應(反應時的獲益)［7～9］。內隱序列學習作為研究內隱學習的一個主要范式，是有其優勢的，比如，被試并不知道序列存在規律，因此對它的知識獲得與提取過程都是內隱的，與人工語法相比，存在著較高的一致性與連貫性。所以，序列學習一直是內隱學習的一個熱點［10］。

2．抑制表達理論

目前在內隱序列學習的研究中，有關序列學習獲得何種知識以及注意在序列學習中的作用，研究者之間還存在很大的爭議［3，9，11－15］。在以往研究的基礎上Frensch指出，盡管許多有關內隱序列學習的研究都表明，被試在單任務條件下的學習成績明顯好于雙任務條件下的學習成績，但是即使在雙任務條件下內隱學習效應也并沒有完全消失而只是略小于單任務條件［16］。由此，他們提出，應進一步區分第二任務對序列學習本身和學習結果表達的影響，如果第二任務既影響序列學習本身又影響學習結果的表達，那么在不同的學習條件下被試的學習成績應有所不同。然而，Frensch、Lin和Buchner對此進行的研究結果卻表明，當三組被試在學習階段分別完成數量不同的任務組段時，無論在“單任務”條件還是“雙任務”條件下，他們的學習成績都無顯著差異［17］。因而，研究者認為，第二任務只會抑制序列學習的內隱序列學習與注意的關系表達，但并不會影響序列學習本身。

Heuer和Schmidtke的研究為抑制表達理論提供了初步的支持，他們的結果表明，在單任務測試條件下，接受單任務學習條件的被試的學習成績高于接受雙任務學習條件的被試［18］。此外，Schvaneveldt和Gomez利用或然序列進行的研究，也為Frensch等人的理論提供了進一步的支持［19］。

不過，Frensch等人的研究受到了Shanks和Channon的質疑，Shanks和Channon對Frensch等人的實驗設計進行了改進［20］，結果發現，當以數聲任務作為第二任務時，無論被試在“單任務”還是“雙任務”條件下進行學習或測試，被試的序列學習成績都會顯著受到第二任務影響。因此，他們認為，內隱序列學習需要注意資源的參與。Shanks(2003)的研究結果也為這一觀點提供了進一步的支持［11］。

3．問題的提出

這些研究者在探討注意的影響時，主要都是采用的雙任務范式，通過增加的次級任務來分析內隱序列學習是否需要注意資源。而本研究試圖從操控序列本身的角度出發，通過操縱目標刺激周圍的分心刺激的數量來考察注意資源數量對目標刺激的影響，并通過ERP的技術手段，嘗試從電生理的層面來檢驗抑制表達理論，探討注意資源對內隱序列學習的影響。

本研究選取的ERP指標:

ERN

ERN(error－related negativity)是額骨中心區在一個不正確(不符合預期)的反應過后約100ms時發生的否定性反應［21］。ERN通常被作為檢測到錯誤［22］或者反應發生沖突的指標［23］。序列學習過程中，被試除了對呈現的刺激進行預期外，很可能同時進行糾錯，這就用到了ERN。

P300

P3是頂骨的顱側區在刺激過后約300－400ms時發生的顯性反應，通常與刺激違反了期望的程度相關［24，25］。在序列學習研究中，研究者通常在規則序列中插入偏差刺激，這種偏差刺激常常會引發P300的變化。

根據Shanks和Channon對“抑制表達”理論的質疑［20］，由于注意資源的被占用，內隱序列學習效果會受到分心刺激數量的影響。隨著分心刺激數量的增加，被試的內隱學習也會出現削弱。具體而言，由于P300和ERN都是異常刺激的指標(異常刺激相比標準刺激，會引起更大的P300和ERN)，如果內隱序列學習需要較多的注意資源，可以推知，分心刺激占用的注意資源越多，則投入到內隱序列學習中的注意資源就越少，那么在完成任務過程中投入注意資源最多的組在出現異常刺激時，由于對內隱序列的習得較差，對異常刺激的敏感度較小，就會出現較小的P300和ERN波幅。

二、實驗

1．目的

通過操縱分心刺激的數量，考察內隱序列學習效果是否會受分心刺激數量的影響。

2．設計

單因素(分心刺激數量:無分心刺激vs．單分心刺激vs．雙分心刺激)被試內設計。

3．假設

無分心刺激組(A組)在出現異常刺激時會出現較大的P300和ERN波幅;雙分心刺激組(C組)在出現異常刺激時會出現較小的P300和ERN波幅;單分心刺激組(B組)在出現異常刺激時出現的P300和ERN波幅介于A、C組之間。

4．被試

湖南師范大學19名本科生，10名女性，年齡在18～23歲之間，平均年齡19歲3個月。被試均為右利手，身體健康無神經系統疾病，沒有腦部損傷史，視力正常或矯正后正常。自愿參加本實驗，母語皆為漢語。實驗完成后付給一定報酬。其中一名女性被試由于實驗時不認真(正確率僅56．9%)數據被剔除。

5．刺激材料與環境

刺激物為圓形。圓的直徑為2cm，由分辨率為1280×1024電腦屏幕呈現，屏幕距被試雙眼距離80cm。被試坐在舒適的座椅上，并避免除按鍵反應外的身體動作。

以下三個圖片分別為無分心刺激物示意圖、單分心刺激物示意圖、雙分心刺激物示意圖。

圖1 刺激物示意圖

(實驗中，被試的任務是:發現在哪條線段的上方出現了圓，就對這條線段進行指認;因此，出現在線段下方的圓與任務是無關的，屬于分心刺激。)

6．實驗流程

實驗階段，被試根據屏幕上刺激出現的位置按鍵盤上的相應鍵，從左到右四個圓點分別對應于鍵盤上的D、F、J、K鍵(如示意圖)。刺激物按以下順序呈現(1—4代表從左到右的四個圓點):SOC1=4－1－3－4－2－3－2－1－4－3－1－2－(4)－(1)－(3)。該序列為二階序列(second—order conditional quenees，SOC)。二階序列中，連續兩個刺激位置決定下一個刺激的位置，所以在此SOC1序列中，前兩個刺激依次出現在4，1位置，則下一個刺激一定出現在3，依此類推。連續三個位置構成的子序列稱為序列組塊(如4－1－3為一個序列組塊，1－3－4為另一個序列組塊)，SOC序列中有多少個數，就有多少個不同的組塊。因此在本研究所用的序列中，存在4－1－3，1－3－4，3－4－2，4－2－3，2－3－2，3－2－1，2－1－4，1－4－3，4－3－1，3－1－2，1－2－4，2－4－1這12個固定組合，出現前兩個數，則確定了第三個數。

SOC序列可以從任何一個位置開始，循環進行，其中每個位置出現的概率均等。實驗中，90%的刺激為標準刺激，標準刺激出現符合SOC1的序列規則。另有10%的刺激為異常刺激，異常刺激來自以下序列:SOC2:4－1－3－4－2－3－2－1－4－3－1－2－(4)－(1)－(2)。異常刺激出現的位置是隨機的。對每個組塊(如前兩個刺激為4－1)，都有90%的刺激為標準刺激(3—4—2)，10%為異常刺激(3—4—1)。

圖2 實驗流程圖

實驗中，被試者并不知道刺激遵循一定規律，而僅被要求盡量既準又快地按鍵。反應任務包括9個組段(block)，每個組段有120個刺激(trial)，其中第一、二個刺激的位置是隨機的，隨后將按SOC1序列規律(10%為異常)進行。反應刺激間隔為500ms，每個組段之間休息30s。刺激物出現在屏幕四個位置上，從左到右四個位置分別對應鍵盤上的D、F、J、K鍵(如圖中圓點出現在從左數第二個位置，應按F鍵進行反應)。9個組段的呈現順序為(A－B－C－A－B－C－A－B－C)，對各組的呈現順序進行平衡。

任務完成后，對被試進行調查，檢測其是否已知曉實驗目的。

7．EEG記錄

在雙眼外側安置電極記錄水平眼電(HEOG)，左眼上下安置電極記錄垂直眼電(VEOG)。每個電極處的頭皮電阻保持在5 kΩ以下。采樣頻率為256Hz。數據經離線處理后以所有導聯的平均電位作為參考，并通過0．05～35Hz離線濾波。

8．行為數據分析

使用spss18．0對被試的正確反應的反應時進行單因素(標準刺激vs異常刺激)重復測量方差分析。分析中，排除反應時小于等于200ms或大于等于1000ms的trial，以及按鍵反應錯誤的trial。

9．ERP數據分析

刺激出現前100ms到刺激出現后700ms為一個時程。以刺激前100ms到刺激出現的平均幅度作為基線。將全部導連的數據的平均值作為參考，每導連的響應由該導連的原始信號減去參考得到。將所有被試(無分心刺激/單分心刺激/雙分心刺激組)對標準、異常刺激的腦電響應分別進行總平均，得到(無分心刺激/單分心刺激/雙分心刺激)各組標準與異常刺激的ERP波形。

垂直或水平眼點幅度超過80 μV的刺激、反應時小于等于200ms或大于1000ms的刺激，以及按鍵反應錯誤的刺激均被剔除。被剔除的刺激數控制在10%以內。比較無分心刺激/單分心刺激/雙分心刺激組塊的ERP波形，對ERN幅度(150～250ms時間窗內的平均電位)以及P300幅度(300～600ms時間窗內的平均電位)進行3(學習類型:無分心刺激/單分心刺激/雙分心刺激)×2(刺激類型:標準/異常)×3(導聯:Fz/Cz/Pz)方差分析。

10．結果

實驗結束后，詢問被試情況，被試均表示在實驗過程中不知道實驗的目的，并且在外顯層面上沒有報告出二階序列規律。

正確率

當出現異常刺激時，各組正確率:A組97．2%，B組97．9%，C組98．6%，三者間差異均不顯著;正常刺激的正確率為98．2%，與錯誤刺激的正確率相比差異不顯著。

反應時

正常刺激平均反應時:488．6110ms，異常刺激平均反應時486．6962ms，無顯著差異。

A組無分心刺激條件下對異常刺激的平均反應時為468．1439ms，B組單分心刺激條件下對異常刺激的平均反應時為502．6978ms，C組雙分心刺激條件下對異常刺激的平均反應時為490．4681ms，組間差異顯著F(2，16)=5．96，p＜0．05。

ERP波形

圖3 標準刺激vs．異常刺激波形圖

疊加過后的標準刺激的ERN波幅峰值為－2．021μV，異常刺激的ERN波幅峰值為－2．401μV，兩者差異顯著F(1，17)=8．41，p＜0．01。

標準刺激的P3波幅峰值為5．262μV，異常刺激的P3波幅峰值為5．630μV，兩者差異顯著F(1，17)=5．46，p＜0．05。

圖4 刺激物波形圖

無分心刺激組的ERN波幅峰值為－5．218μV，單分心刺激組的ERN波幅峰值為－4．493μV，雙分心刺激組的ERN波幅峰值為－3．286μV，三組中各組間均差異顯著F(2，16)=4．46，p＜0．05。

無分心刺激組的P3波幅峰值為8．743μV，單分心刺激組的ERN波幅峰值為7．636μV，雙分心刺激組的ERN波幅峰值為7．312μV。A組與B組差異顯著F(1，11)=9．66，p＜0．01;A組與C組差異顯著F(1，11)=9．76，p＜0．01;B組與C組間差異不顯著。

11．討論

從結果上看，三組的正確率之間差異不顯著，但是可以看到微小的差異，即A組正確率97．2%＜B組正確率97．9%＜C組正確率98．6%，這可能是天花板效應造成的(即各組正確率均較高)，也可能只是被試對三組刺激的反應在外顯(反應時)層面上沒有區別。標準刺激與異常刺激的正確率之間沒有顯著差異也可能是這些原因造成的。

再來看各組對異常刺激的反應時上的差異，A組比B組、C組的反應時都要短，這說明A組在任務過程中受到的干擾是最小的，B組和C組的分心刺激確實對被試的外顯表現產生了干擾作用。

在電生理的層面上，標準刺激的ERN波幅和P3波幅均顯著小于異常刺激的ERN波幅和P3波幅，這說明被試檢測出了預設的“異常刺激”，而由于被試在外顯層面上沒有習得序列規則，說明被試的這種對“異常刺激”的檢測是建立在內隱的序列學習的基礎上的。

從ERN波幅上來看，A組ERN波幅＞B組ERN波幅＞C組ERN波幅，相當于對異常刺激的檢測能力有:A組＞B組＞C組，這說明由于注意資源的被占用，內隱序列學習的效果了受到分心刺激數量的影響，即分心刺激數量的增多會導致內隱序列學習的效果變差。P3波幅的對比說明內隱序列學習的效果受到了分心刺激的影響。

三、結論

本實驗的假設是根據Shanks和Channon對“抑制表達”理論的質疑［22］而提出的，實驗結果表明，在ERN波幅上，由于注意資源的被占用，內隱序列學習效果會受到分心刺激的數量的影響。隨著分心刺激數量的增多，被試對目標刺激的內隱學習效果也會出現削弱。具體而言，由于分心刺激占用的注意資源A組＜B組＜C組，因此在投入到內隱序列學習中的注意資源就有A組＞B組＞C組，因此A組在出現異常刺激時就會出現較大的ERN波幅(內隱序列習得較快，對異常刺激的敏感度較大)。如此，本實驗的結果在電生理層面上支持了Shanks和Channon的觀點［20］。

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