顏色相關外源性特征注意與視覺意識的關系

陳一凡 于洋瀾 劉 瑩，2

（1上海體育學院運動科學學院，上海 200438；2上海體育學院運動認知評定與調控實驗室，上海 200438）

1 前言

許多意識理論認為神經活動增強對于特定信息到達意識層面起到關鍵作用 （Baars，1997；Dehaene， Kerszberg， ＆ Changeux， 1998； Dennett，1991；Edelman，2003），而注意會選擇性地增強對相關目標的神經活動（Corbetta，Miezin，Dobmeyer，Shulman， ＆ Petersen， 1990； Müller et al．， 2006；Reynolds＆ Chelazzi，2004），因此可以假設注意可以促進視覺意識的產生 （Dehaene，Changeux，Naccache， Sackur， ＆ Sergent， 2006）。 許多實驗已經對這種吸引人的觀點提出了挑戰。在行為層面上，越來越多的證據揭示出注意不能導致意識的必然發生，因為注意能夠調節無意識的處理，如空間注意（Kentridge， Nijboer， ＆ Heywood， 2008； Sumner，Tsai， Yu， ＆ Nachev， 2006； Webb， Kean， ＆Graziano， 2016）、 特征注意 （Kanai， Tsuchiya， ＆Verstraten， 2006； Norman， Heywood， ＆ Kentridge， 2015； Schmidt ＆ Schmidt， 2010）或時間注意 （Eimer ＆ Grubert， 2015； Kiefer ＆ Brendel，2006）均可處理潛意識 （Tsuchiya＆ Koch，2016；van Boxtel， Tsuchiya， ＆ Koch， 2010）。 在神經層面，已有證據表明注意和意識可能是彼此獨立的處理系統，因為它們分別與彼此獨立的、獨特的神經反應相聯系（Babiloni， Vecchio， Miriello， Romani， ＆Rossini， 2006； Huang， Chen， ＆ Luo， 2015；Koivisto ＆ Revonsuo， 2008； Koivisto， Revonsuo，＆ Lehtonen， 2006； Woodman ＆ Luck， 2003；Wyart ＆ Tallon－Baudry， 2008）。 例如，近期的一項ERP技術研究發現，注意或者意識的產生都與特定的腦電活動相聯系，并且發現枕頂區是區分意識和注意的關鍵腦區。這些發現都很難與注意與意識彼此聯系的觀點保持一致。值得注意的是，前面敘述的注意和意識相互分離的證據大都是指內源性注意。

其實注意是一個復雜名詞，不僅包括前文提及的內源性注意，還包括外源性注意。外源性注意是一種被動的注意形式（James，1923）。不同形式的注意與意識的交互作用可能是不盡相同的。有些研究證據表明相比于內源性注意，外源性注意與意識有著不同形式的關聯（Chica， Botta， Lupián?ez， ＆ Bartolomeo，2012；Chica，Lasaponara，Lupiá n?ez，Doricchi， ＆ Bartolomeo， 2010）。 比如，最近的研究結果表明，只有當局部激活加劇或自下而上激活加劇時，內源性注意對意識感知才存在調節作用（Botta，Lupián?ez，＆Chica，2014）。換句話說，只有當外源性注意存在的情況下，內源性注意才會對意識產生調節。因此，與內源性注意相比，外源性注意在意識的產生過程中同樣起到至關重要的作用。因此撇開外源性注意，單單研究內源性注意并不能幫助我們全面地回答注意與意識的關系問題。另外有研究表明，外源性注意和內源性注意與意識的關聯方式完全不同：內源性注意促進意識加工，而外源性注意也具有調節不可見刺激的功能 （Hsu，George，Wyart， ＆ Tallon－Baudry， 2011）。這一結果證明，相比外源性注意，內源性注意與意識的聯系更加緊密。鑒于已有的內源性注意與意識相互獨立的證據，我們有理由相信外源性注意與意識在特定情境下也是彼此獨立的。

為了探索上述問題，我們嘗試通過實驗同時分別操縱外源性注意和視覺意識來探索外源性注意與意識的關系。通過記錄被試對發生于彩色動點是否發生微弱速度變化的感知的反應時和正確率尋找外源性注意和意識在行為層面彼此分離的證據。為了實現對意識的操控，彩色動點的速度變化值被設定到每個被試的主觀閾限，因此被試能夠有意識地感知到這種微弱的速度變化的試次只占整個實驗的一半（下文記作“有意識”試次），而在另一半的試次中被試無法感知速度變化（即“無意識”試次）。另外，為了操縱注意變量，實驗在目標刺激呈現前設置線索刺激，此線索刺激的顏色在一半的實驗試次中與發生速度變化的目標刺激點群的顏色相同 （即注意試次），在另一半試次中線索刺激與發生速度變化的目標刺激點群不同色（即非注意試次）（見圖1）。實驗中線索刺激的呈現時間為50ms，線索—目標點群同色的概率僅為50%，通過這樣的實驗安排，可確保實驗操縱的是與顏色相關的外源性注意。通過視覺意識與基于特征的外源性注意的重復測量兩因素設計，每個刺激可以同時被分類為注意與非注意（取決于提示刺激和發生速度變化的目標刺激點群的顏色一致性），以及有意識與無意識（取決于被試在試次結束時是否觀察到速度變化的主觀報告）。我們利用這種因素設計來檢驗顏色相關外源性注意和視覺意識間或獨立或彼此關聯的究竟。

圖1 實驗設計

2 方法

2．1 被試

16名視力正常或矯正視力達到正常的志愿者參與了這項實驗。隨后的分析數據來源于14名被試（14名被試均為右利手，7男7女，被試年齡在18到24 歲之間，平均年齡為 20．55±1．55 歲），一名男性被試和一名女性被試的數據因在探測刺激中極低的擊中率而被剔除。石原氏色盲測試評估結果顯示所有被試色覺均正常。被試簽署了書面知情同意書，并根據參與時間被支付相應酬金。所有程序均經當地倫理委員會批準（中國，上海體育學院，倫理委員會）。

2．2 刺激

刺激均呈現于分辨率為1024×768像素，刷新率為60Hz的陰極射線顯像管（CRT）顯示器上，屏幕距離被試眼睛1．1米處。刺激呈現使用Matlab軟件環境下 Psychtoolbox工具箱進行控制（Brainard，1997； Pelli， 1997）。

所有刺激顯示都以黑色為背景。屏幕的中心注視點是0．15度視角（以下稱為dva）的白色圓點。線索刺激是半徑為1dva的彩色圓環（紅色或綠色）。整個實驗中紅色的亮度恒定（1．57cd／m2），綠色的亮度使用差異顏色閃爍法（參見下文）設置為每個被試顏色知覺中紅色與綠色的等亮點。

目標刺激由100個點構成。其中隨機選出50個點做順時針旋轉，余下的做逆時針旋轉。兩群點分別顯示紅色或綠色，并沿相反方向轉動。目標刺激位于圍繞中心注視點內半徑為1dva，外半徑為3dva的環形區域內。

在不存在速度變化的試次中，兩個點群均以恒定速度（6dva／s）轉動。在存在速度變化的試次中，兩個點群中的一個點群作變速 （勻加速或勻減速）轉動，另一個點群作勻速轉動。

2．3 實驗程序

每個試次先呈現600ms的注視點。然后中央注視點周圍出現紅色或綠色線索刺激，并持續呈現50ms，接著再呈現50ms的注視點，后呈現900ms以相反方向轉動的紅色點群和綠色點群 （目標刺激）。在87%的試次（存在速度變化的試次）中，兩個點群中的一個點群做變速（勻加速或勻減速）轉動，另一個做勻速轉動。在一半的試次里，出現變速轉動的點群與線索刺激同色，另一半的試次，變速轉動點群的顏色與線索刺激顏色不相同。加速度或減速度被設定為每個被試的主觀閾限值 （見下文）。在余下的13%試次中，兩個點群均做勻速移動。隨后，依次給被試呈現兩個問題界面，問題界面會在被試做出回答或3秒沒有回答后關閉。第一個屏幕是二選一的迫選：不管是否存在速度變化，要求被試判斷目標刺激出現了加速轉動還是減速轉動。第二個屏幕詢問被試目標刺激中是否存在變速轉動，回答“存在”或“不存在”。這兩個問題界面中的兩個選項總是保持在垂直位置方向上下呈現。被試用他們的右手中指和右手食指分別按鍵盤上的上鍵和下鍵做答。各試次答案選項的上下按鍵位置隨機安排，以避免系統的刺激—反應映射以及在目標呈現期間所進行的按鍵準備。答案選項的位置不與目標點群呈現的環形區域相重疊，以防止任何掩蔽效應。被試被明確地要求盡可能快速準確地回答，即使他們對自己的回答不確定也需要根據猜測做出選擇。在刺激間隔的2～3s時間內，屏幕上呈現黑色背景的空屏。

為了最小化紅色和綠色的感知差異，在每個被試進行正式實驗之前，使用差異顏色閃爍法確定兩種顏色的等量點。兩個點群（呈現在注視點周圍，等同目標刺激）在黑色背景下以30Hz的頻率交替顯示為紅色和綠色。被試需要通過按壓按鍵增加或減少其中綠色的亮度以最小化紅綠色交替帶來的閃爍感（Wagner＆ Boynton，1972）。被試需要完成隨機安排的8個試次 （順時針旋轉的點呈現出紅色或綠色，從亮或從暗開始調節，并重復兩次）。我們記錄下被試最小閃爍感時對應的綠色的平均亮度，并將該值用作后面正式實驗部分的亮度參數。這一過程大約持續五分鐘。

確定與紅色等亮時綠色的亮度以后，我們使用“一上一下”階梯法測試被試以50%的概率檢出速度變化時動點的加速度／減速度。一個試次中的實驗流程與前述相同，不同的是加速度和減速度不是恒定的，而是不斷發生變化的，這主要取決于被試在先前相同類型（加速／減速）的試次中所報告的速度改變是否能被有意識地感知到。如果被試報告存在變速轉動，則增加難度，即減少加速度／減速度；如果被試報告不存在變速運動，則降低難度，即增大加速度／減速度。這個部分一共混合了四種不同類型的試次（兩個變量，每種變量有兩個水平：注意／未注意×加速／減速），但由于時間限制，只有在注意條件下的階梯法持續到最后，持續到聚合為一個穩定的閾值。因此隨后的正式實驗部分使用的閾值是來自注意條件下獲得的閾值。這部分持續約20分鐘。

閾值測量部分之后是8個主要的正式實驗部分（平均持續時間為8分鐘／部分），在此期間收集被試的反應時和正確率。每個正式實驗部分由92個試次組成（80個存在變速運動試次，其中40個是注意條件，40個是非注意條件；12個不存在變速運動試次，其中6個是注意條件，6個是非注意條件）。

3 結果

3．1 對意識的主觀測量

刺激物僅在一半的試次里是可見的，因此可能會被質疑說被試并沒有根據他們的主觀感受，而是在隨機做答。為了驗證這樣的解釋，我們首先比較了存在速度變化的試次和不存在速度變化的試次中被試的反應。首先，當確實產生速度變化時，被試會更加頻繁地報告說存在速度的變化（探測率為：均值±標準誤＝60．9%±2．90%）， 相比于不存在速度變化的那些試次（誤報率為：均值±標準誤＝16．1%±2．91%，配對 t檢驗，p＜10－7）。 其次，當被試報告說存在速度變化時，相比于被試報告不存在速度變化時，被試能夠更準確地辨別出速度變化的方式（加速／減速）（有意識條件，即被試報告說存在速度變化時，速度變化方式鑒別的正確率為： 均值±標準誤＝93．4%±1．3%；無意識條件，即被試報告說不存在速度變化時，均值±標準誤＝54．0%±2．7%，配對 t檢驗，p＜10－7）。 綜上所述，多項證據表明被試確實是根據他們對是否存在速度改變的主觀感受進行匯報的，而非依據猜測。因此依據被試的主觀報告區分的行為數據結果很有可能對應于兩種相互獨立的認知狀態：一種意識狀態是被試能夠準確判斷刺激物速度變化方式；另一種無意識狀態是試意識不到速度的變化，報告不出速度變化的方式。因此我們將重點分析被試主觀報告看見速度變化并且能夠正確識別出速度變化方式的那些試次 （后記為有意識試次），以及被試報告看不出速度變化并且在速度變化方式的辨別任務中隨機做答的那些試次 （后記為無意識試次）。

3．2 注意效應

注意效應通常和更快／更慢的反應時聯系在一起。在當前的實驗中，我們同樣期望注意效應能在對速度的變化方式這一問題的回答上體現出來。為了最小化極端反應時對反應時數據的影響，反應時短于200ms或者長于1500ms的試次被刪除，另外我們同時使用了截尾平均數程序對數據進行了處理，平均數左右兩個標準差以外的數據也沒有進入后期的數據處理，共刪除了3．7%的數據。隨后，對反應時和標準差數據做了重復測量方差分析，其中以意識（有意識、無意識）和注意（注意條件、非注意條件）作為兩個組內變量。對反應時數據所做的方差分析的結果顯示注意的主效應顯著，F （1，13）＝6．65，p＝0．02，η2＝0．34（見圖 2A），注意和意識的交互作用不顯著，F（1，13）＝0．77，p＝0．40。 非注意條件下的反應時顯著短于注意條件下的反應時 （非注意條件，均值±標準誤＝712．64ms±27．29ms；注意條件，均值±標準誤＝725．21ms±26．89ms）。

對正確率的方差分析的結果顯示注意對微弱運動速度變化方式的分辨率也產生了影響，非注意條件下的正確率顯著地高于注意條件下的正確率 （非注意條件，均值±標準誤＝74．5%±1．1%；注意條件，均值±標準誤＝72．9%±1．5%）； 方差分析中注意的主效應顯著，F（1，13）＝4．50，p＝0．05，η2＝0．26，注意和意識的交互作用不顯著，F （1，13）＝1．37，p＝0．26 （見圖2B）。除此以外，注意對微弱運動速度改變的探測率為：注意條件，均值±標準誤＝61．0%±2．7%；非注意條件， 均值±標準誤＝60．8%±3．1%； 雙尾配對 t檢驗，t（13）＝0．30，p＝0．77。

圖2 有意識和無意識條件下的注意效應

4 討論

當前的研究致力于厘清外源性注意與視覺意識之間的關系。在同一研究范式中，使用物理特征完全相同的刺激物，外源性注意和視覺意識得到了獨立的操控。行為上，與具有顏色特征相關的外源性注意相關的效應在對微弱運動速度變化方式的辨別正確率以及反應時方面有所表現。實驗中并沒有發現顏色特征相關的外源性注意與視覺意識的交互作用。因此，我們的結果揭示出顏色特征相關外源性注意在行為水平上可以獨立于視覺意識。

當前的研究中出現的注意效應表現為注意條件下，在微弱運動速度改變的辨別方面，被試表現出更慢的反應時和更低的正確率。Sumner，Tsai，Yu和Nachev（2006）的研究也證明，在無意識條件下，注意可以顯著影響行為表現。他們在探索動作反應的啟動效應中，當刺激物在感知覺方面非常微弱（非常低的對比度）時，發現了負啟動現象 （更慢的反應時）。在當前的實驗中，速度改變的程度被設定在每個被試剛剛能感知到的閾值，故而注意的效應通過這種負啟動現象體現出來。

之前的研究發現，與意識的交互作用中，外源性注意表現出與內源性注意完全不同的模式。內源性注意促進意識的加工處理，而外源性注意也可以增強潛意識的加工處理（Hsu， et al．， 2011），從而可知，外源性注意不能導致意識的必然產生。在我們的研究中，我們發現了注意的主效應，然而并未發現外源性注意和意識間存在交互作用，我們的研究結果同樣支持注意并非是意識的充要條件這一說法，此外，外源性注意看起來是以一種獨立于意識的方式在運作。

當前的研究豐富了我們對注意和意識關系的理解，同內源性注意一樣，外源性注意同樣是部分獨立于視覺意識的認知加工。外源性注意在不同的意識條件下都存在，當然并不一定是以與意識條件下同樣的方式在運作。如，最新的研究發現無意識條件下對任務相關刺激的注意更加不穩定，對任務無關刺激的注意返回抑制效應較微弱，注意受到刺激物亮度對比需更多的驅動 （Webb，Kean，＆ Graziano，2016）。

5 結論

顏色相關外源性注意在行為水平上可以獨立于視覺意識，顏色相關外源性注意不會導致視覺意識的必然發生。

Baars， B．J．（1997）．In the theatre of consciousness： Global workspace theory，a rigorous scientific theory of consciousness．Journal of Consciousness Studies， 4 （4），292－309．

Babiloni， C．， Vecchio， F．， Miriello， M．， Romani， G．L．，＆ Rossini， P．M．（2006）．Visuo－spatial consciousness and parieto－occipital areas： A high－resolution EEG study．Cerebral Cortex， 16（1）， 37－46．

Botta， F．， Lupián?ez， J．， ＆ Chica， A．B． （2014）．When endogenous spatial attention improves conscious perception： Effects of alerting and bottom－up activation．Consciousness ＆ Cognition， 23（1）， 63－73．

Brainard， D．H．（1997）．The psychophysics toolbox．Spatial Vision， 10（4）， 433－436．

Chica， A．B．， Botta， F．， Lupián?ez， J．， ＆ Bartolomeo， P．（2012）．Spatialattention and consciousperception：Interactions and dissociations between and within endogenous and exogenous processes．Neuropsychologia，50（5）， 621－629．

Chica， A．B．， Lasaponara， S．， Lupián?ez， J．， Doricchi， F．，＆ Bartolomeo， P． （2010）．Exogenous attention can capture perceptual consciousness：ERP and behavioural evidence．Neuroimage， 51（3）， 1205－1212．

Corbetta， M．， Miezin， F．M．， Dobmeyer， S．， Shulman， G．L．， ＆ Petersen， S．E． （1990）．Attentional modulation of neural processing of shape， color， and velocity in humans．Science， 248， 1556－1559．

Dehaene， S．， Changeux， J．P．， Naccache， L．， Sackur， J．，＆ Sergent， C． （2006）．Conscious， preconscious， and subliminal processing： A testable taxonomy．Trends in Cognitive Sciences， 10（5）， 204－211．

Dehaene， S．， Kerszberg， M．， ＆ Changeux， J．P．（1998）．A neuronal model of a global workspace in effortful cognitive tasks．Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 95（24），14529－14534．

Dennett， D．C． （1991）．Consciousness explained．Boston：Little， Brown and Co．

Edelman， G．M．（2003）．Naturalizing consciousness： A theoretical framework．Proceedings of the National Academy ofSciences ofthe United States ofAmerica，5520－5524．

Eimer， M．， ＆ Grubert， A． （2015）．A dissociation between selective attention and conscious awareness in the representation of temporal order information．Consciousness＆ Cognition， 35， 346－356．

Hsu， S．M．， George， N．， Wyart， V．， ＆ Tallon－Baudry， C．（2011）．Voluntary and involuntary spatial attention interact differently with awareness．Neuropsychologia， 49（9）， 2465－2474．

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．

James， W． （1923）．The principles of psychology．Dover Books on Philosophy ＆ Psychology， （2821）， 761．

Kanai， R．， Tsuchiya， N．， ＆ Verstraten， F．A．J．（2006）．The scope and limits of top－down attention in unconsciousvisualprocessing．CurrentBiology， 16 （23），2332－2336．

Kentridge， R．W．， Nijboer， T．C．， ＆ Heywood， C．A．（2008）．Attended but unseen： Visual attention is not sufficient for visual awareness．Neuropsychologia， 46（3）， 864－869．

Kiefer， M．， ＆ Brendel， D． （2006）．Attentional modulation of unconscious “automatic” processes： Evidence from event－related potentials in a masked priming paradigm．Journal of Cognitive Neuroscience， 18（2）， 184－198．

Koivisto， M．， ＆ Revonsuo， A． （2008）．The role of selective attention in visual awareness of stimulus features：Electrophysiological studies． Cognitive， Affective ＆Behavioral Neuroscience， 8（2）， 195－210．

Koivisto， M．， Revonsuo， A．， ＆ Lehtonen， M．（2006）．Independence of visual awareness from the scope of attention： An electrophysiological study．Cerebral Eortex，16（3）， 415－424．

Müller， M．， Andersen， S．， Trujillo， N．， Valdés－Sosa， P．，Malinowski， P．， ＆ Hillyard， S． （2006）．Feature－selective attention enhances color signals in early visual areas of the human brain．Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，14250－14254．

Norman， L．J．， Heywood， C．A．， ＆ Kentridge， R．W．（2015）．Exogenous attention to unseen objects？ Consciousness ＆ Cognition， 35， 319－329．

Pelli， D．G． （1997）．The VideoToolbox software for visual psychophysics： Transforming numbers into movies．Spatial Vision， 10（4）， 437－442．

Reynolds， J．H．， ＆ Chelazzi， L． （2004）．Attentional modulation of visual processing．Annu．Rev．Neurosci．，27， 611－647．

Schmidt， F．， ＆ Schmidt， T． （2010）．Feature－based attention to unconscious shapes and colors．Attention， Perception， ＆ Psychophysics， 72（6）， 1480－1494．

Sumner， P．， Tsai， P．C．， Yu， K．， ＆ Nachev， P．（2006）．Attentional modulation of sensorimotor processes in the absence of perceptual awareness．Proceedings of the National Academy of Sciences， 103（27）， 10520．

Tsuchiya， N．， ＆ Koch， C． （2016）．Chapter 5-The relationship between consciousness and top－down attention．Neurology of Conciousness， 71－91．

van Boxtel， J．J．A．， Tsuchiya， N．， ＆ Koch， C．（2010）．Consciousness and attention：On sufficiency and necessity．Frontiers in Psychology， 1， 217．

Wagner， G．， ＆ Boynton， R．M． （1972）．Comparison of four methods of heterochromatic photometry．Journal of the Optical Society of America， 62（12）， 1508－1515．

Webb， T．W．， Kean， H．H．， ＆ Graziano， M．S．A．（2016）． Effects of awareness on the control of attention．Journal of Cognitive Neuroscience， 28 （6），1－10．

Woodman， G．F．， ＆ Luck， S．J． （2003）．Dissociations among attention， perception， and awareness during object－substitution masking．PsychologicalScience， 14（6）， 605－611．

Wyart， V．， ＆ Tallon－Baudry， C． （2008）．Neural dissociation between visual awareness and spatialattention．Journal of Neuroscience， 28（10）， 2667－2679．