人腦時間信息處理的性別差異研究

楊菁菁，李奇，李修軍

（長春理工大學計算機科學技術學院，長春 130022）

人腦時間信息處理的性別差異研究

楊菁菁，李奇，李修軍

（長春理工大學計算機科學技術學院，長春 130022）

視聽覺信息融合特性的研究是腦信息學的重要研究內容之一，同時大腦的性別差異近年來也倍受關注。通過行為學實驗技術探索不同性別之間視聽覺信息融合特性的差異。實驗設計了單獨的視覺刺激、單獨的聽覺刺激和具有不同時間間隔的視聽覺刺激，要求被試者對這三種刺激類型的靶刺激進行判斷。結果表明只有聽覺刺激優(yōu)先提示或同時提示條件下才有整合作用的發(fā)生，男性比女性的整合作用時間晚但反應強。

時間信息處理；性別差異；視聽覺信息融合

人腦是超級信息處理系統(tǒng)，可以高速整合來自多感官通道的信息。例如當人們使用電腦時，他們必須看著電腦屏幕，聽著音箱的聲音、敲打鍵盤的聲音，觸摸鼠標或鍵盤。來自不同感覺器官的信息會有效的形成統(tǒng)一、穩(wěn)定的知覺信息，這種現(xiàn)象被稱為多感覺整合［1-2］。時間信息是影響人腦視聽覺通道信息整合的主要因素。當視覺刺激比聽覺刺激早50～100ms提示時更容易引起錯覺［3］。一些研究者認為視聽覺信息的處理存在時間窗，即視聽覺刺激提示的時間不一致，在±250ms范圍內仍然能被認為是同一事件，從而形成視聽覺整合作用［4-5］。性別作為影響人類認知行為的重要因素，已經(jīng)成為腦科學研究的熱門話題，性別差異專指男性群體和女性群體之間某種穩(wěn)定的差異，是群體水平上的比較［6］。當視聽覺信息不同步時，男性和女性大腦信息的處理會有怎樣的不同，它的神經(jīng)機制尚不明確。本文選擇男性、女性兩測試組，設計了單獨視覺刺激、單獨聽覺刺激和具有不同時間間隔的視聽覺刺激，要求被試者對這三種刺激類型的靶刺激進行判斷，對人腦時間信息處理的性別差異進行研究。

1 實驗方法

1.1 被試者

14名志愿者參與了本次實驗，其中男性7人，女性7人，均為長春理工大學在讀本科生，年齡在20～24周歲。被試聽力正常，視力或者矯正視力正常，皆為右利手，身心健康，對所有被試者在實驗前進行了實驗相關說明，要求被試者注意力集中，發(fā)現(xiàn)靶刺激后盡快而且準確地進行按鍵反應。

1.2 實驗材料

實驗刺激由視覺刺激（V）、聽覺刺激（A）和視聽覺刺激（AV）組成。每種刺激類型都包括標準刺激和靶刺激。單獨視覺標準刺激由白色水平方波光柵組成，視角3°，提示時間105ms（圖1）。單獨聽覺標準刺激，1600Hz純音，聲強65dB，時間長度105ms（包括10ms漸強和漸弱）。視聽覺標準刺激由單獨聽覺標準刺激和單獨視覺標準刺激組成，視聽覺刺激根據(jù)時間間隔（SOA）不同分為5種，SOA分別為-100ms、-50ms、0ms、50ms和100ms。“-”表示聽覺刺激呈現(xiàn)在視覺刺激前。“SOA=0ms”表示視覺刺激和聽覺刺激同時呈現(xiàn)。視覺刺激通過17寸顯示器提示，聽覺刺激通過顯示器左右兩側的音箱提示。

單獨視覺靶刺激和聽覺靶刺激與單獨視覺標準刺激和聽覺標準刺激相似，只是刺激提示中間出現(xiàn)間斷，使被試者感覺視覺刺激發(fā)生了閃爍，聽覺刺激出現(xiàn)“嘀-嘀”間斷感。視聽覺靶刺激由單獨聽覺靶刺激和單獨視覺靶刺激組成。

圖1 實驗裝置示意圖

1.3 實驗過程

實驗在一個隔音的電磁屏蔽暗室中進行。視覺圖片通過17寸顯示器提示，被試者與屏幕距離130cm，下巴放在下頜托上。每次實驗開始時，先在屏幕中央呈現(xiàn)一個注視點“+”2000ms，注視點消失后隨機呈現(xiàn)空屏800～1200ms，接著視覺、聽覺、視聽覺刺激隨機呈現(xiàn)。被試者的任務是對所有的靶刺激按鼠標左鍵，記錄被試者的反應時間及正確率。每種刺激類型包括20%的靶刺激。

1.4 數(shù)據(jù)采集與分析

刺激提示采用Presentation軟件（Version 0.71）來呈現(xiàn)。實驗記錄了每種刺激類型的反應時間和正確率，并通過SPSS進行了重復測量方差分析（Repeated measure ANOVA）。

為了調查雙通道刺激的促進性，是否源于整合作用，本實驗采用獨立競爭模型來分析。這一模型采用反應時間的累積分布函數(shù)（cumulative distribution functions CDFs）對每種實驗刺激的反應時間進行統(tǒng)計分析。以10ms為間隔，計算從刺激提示后240ms至840ms每個時間段的反應時間概率。標準競爭模型為：［P（A）+P（V）］-［P（A）×P（V）］［7］。然后把SOA分別為-100ms、-50ms、0ms、50ms和100ms的5種不同時間間隔的雙通道刺激累積分布函數(shù)與標準競爭模型相減，如果差大于零，說明視聽通道發(fā)生了整合作用。

2 結果分析

反應時間是從刺激提示開始到被試者按鍵所用的時間，單位為毫秒（ms），按照男性、女性和7種刺激類型分別統(tǒng)計求出平均反應時間（圖2），A100V表示聽覺比視覺刺激早100毫秒提示，AV表示視聽覺刺激同時提示。經(jīng)過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)男女生之間對各種類型的平均反應時間沒有差異［F（1，6）= 0.040，p=0.847］，各種刺激類型間差異顯著［F（1，6）=21.440，p=0.004］，五種類型的雙通道刺激的反應時間明顯比單獨通道短，視聽覺刺激同時提示時反應時間最短。性別和刺激類型間沒有發(fā)現(xiàn)交互作用［F（1，6）=0.426，p=0.857］。

圖2 平均反應時間結果圖

正確率是被試者對每種靶刺激做出正確判斷的次數(shù)占總次數(shù)的比例，圖3顯示了男女兩組被試者對各種刺激的反應正確率。經(jīng)過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)只有女性對視覺刺激的反應正確率高于男性（p=0.017），總體男女生之間對各種類型的平均反應正確率沒有差異［F（1，6）=3.784，p=0.100］，各種刺激類型間差異顯著［F（1，6）=18.168，p=0.005］，五種類型的雙通道刺激的正確率明顯比單獨通道高。性別和刺激類型間沒有發(fā)現(xiàn)交互作用［F（1，6）=1.477，p= 0.214］。

從反應時間和正確率結果來看，即使雙通道視聽覺刺激存在時間差，在±100ms范圍內仍然能夠促進視聽覺刺激的判斷，使被試者的反應更快更準確。這與先前的研究結果一致，多通道刺激會減少判斷的不確定性［8］。

圖3 正確率結果圖

圖4 獨立競爭模型分析結果圖

圖4顯示的是獨立競爭模型分析結果，男女兩組在A100V、A50V和AV條件下的累積分布函數(shù)與標準競爭模型具有顯著差別，即聽覺刺激先提示和視聽覺同時提示的條件下，有多感覺的整合作用發(fā)生，而視覺在先的情況下沒有誘發(fā)多感覺整合。男性對AV條件的促進作用顯著，時間范圍是320ms到460ms，峰值在370ms（14.8%），而女性對AV條件的促進作用時間范圍是300ms到460ms，峰值在390ms（11.0%）。在A100V條件下促進作用的時間范圍：男性330ms到420ms，峰值370ms（12.4%），女性310ms到410ms，峰值350ms（10.1%）。在A50V條件下促進作用的時間范圍：男性310ms到400ms，峰值350ms（6.0%），女性300ms到400ms，峰值350ms（8.6%）。

通過對反應時間進行累積分布分析，發(fā)現(xiàn)整合作用發(fā)生的時間范圍男性比女性晚10ms，但作用比女性強，這可能源于男性對視覺刺激判斷的正確率比女性低，刺激信息越難判斷，整合效果越強［9］。

3 結論

本實驗目的在于研究不同性別之間視聽覺時間信息融合特性的差異。即使雙通道視聽覺刺激存在時間差，在±100ms范圍內仍然促進視聽覺刺激的判斷。反應時間累積分布分析發(fā)現(xiàn)，只有聽覺刺激優(yōu)先提示或同時提示時視聽通道發(fā)生了整合作用，視聽覺刺激優(yōu)先的條件下沒有整合作用。整合作用發(fā)生的時間范圍男性比女性要晚，但是作用比女性強。

［1］Li Qi，Wu Jinglong，Touge Tetsuo.Audiovisual interaction enhances auditory detection in late stage：anevent-relatedpotentialstudy［J］.Neuroreport，2010，21（3）：173-178.

［2］李奇，楊菁菁，武巖，等.視聽覺信息整合腦機制研究［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2014.

［3］SarahE.Donohue，KennethC.Roberts，Tineke Grent-’t-Jong，et al.The cross-modal spread of attention reveals differential constraints for the temporal and spatial linking of visual and auditory stimulus events［J］.The Journal of Neuroscience，2011，31（22）：7982-7990.

［4］Charles Spence，Sarah Squire.Multisensory integration：maintaining dispatch the perception of synchrony［J］.Current Biology，2003（13）：519-521.

［5］Yang Jingjing.The effects of temporal information on audiovisual integration［D］.Japan：Okayama Univercity，2014.

［6］楊天亮，辛斐，雷旭.人類大腦結構和功能的性別差異：來自腦成像研究的證據(jù)［J］.心理科學進展，2015，23（4）：571-581.

［7］JinglongWu，WeipingYang，YulinGao，etal. Age-related multisensory integration elicited by peripherally presented audiovisual stimuli［J］.NeuroReport，2012（23）：616-620.

［8］Lippert M，Logothetis NK，Kayser C.Improvement of visual contrast detection by a simultaneous sound［J］.Brain research，2007（1173）：102-109.

［9］Daniel Senkowski，Dave Saint-Amour，Marion H?fle，etal.Multisensoryinteractionsinearlyevoked brain activity follow the principle of inverse effectiveness［J］.NeuroImage，2011（56）：2200-2208.

Gender Differences in Temporal Information Processing in Human Brain

YANG Jingjing，LI Qi，LI Xiujun
（School of Computer Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Audiovisual information fusion is one of important contents in research of brain information.Recently，increased emphasis has been placed on the investigation of gender differences in the human brain.This work investigated the difference of audiovisual information fusion between different genders by behavioral experiments.Unimodal visual stimuli，unimodal auditory stimuli，and multimodal audiovisual stimuli were contained in this work.The multimodal audiovisual stimulus consisted of both unimodal A and unimodal V stimuli onset asynchrony.The participants both attend to the auditory and visual modal，and press the mouse when the target stimuli were presented.The results showed that the integration of the male was more than that of the female，but the effect was stronger than that of the female.

temporal information processing；gender differences；audiovisual information fusion

Q983+.5

A

1672-9870（2016）06-0119-03

2016-09-15

吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目（2015-68）

楊菁菁（1979-），女，博士，助理研究員，E-mail：yangjingjing@cust.edu.cn