三維場景中內隱記憶的空間更新 *

李士一 周 日 孫 璐 謝巖楓 趙 光

(教育部人文社會科學重點研究基地天津師范大學心理與行為研究院，天津 300387) (天津師范大學心理學部，天津 300387)(國民心理健康評估與促進協同創新中心，天津 300387)

1 引言

空間記憶在日常生活中扮演著重要的角色（Brockmole, 2008）。在探究空間記憶本質的過程中，視角變化（viewpoint change）是最常用的研究范式之一，即考察從某一視角學習到的場景知識能否遷移到另一新的視角（Bar, 2001; Wang, 2017）。基于該范式的大量研究并沒有得到統一的結論：部分研究支持從某一視角習得的場景知識不能遷移到新視角，另一部分研究則得到了相反的結果（Diwadkar & Mcnamara, 1997; Kelly, Mc Namara,Bodenheimer, Carr, & Rieser, 2009; Shelton &McNamara, 2001）。研究者發現空間參照系（Mou,McNamara, Rump, & Xiao, 2006; Riecke & Heyde,2005）、空間更新（Simons & Wang, 1998）等因素是影響習得知識能否遷移到新視角的重要因素。

空間更新效應（spatial updating effect）是指個體在三維空間中移動時，對周圍物體與自身位置之間相對關系進行重新編碼的過程，且該編碼過程為自動化加工（Klatzky, Loomis, Beall, Chance, &Golledge, 1998; Wolbers, Hegarty, Büchel, & Loomis,2008）。例如，對教室里正上課的學生來說，黑板在你的前方；當你下課轉身與后排的同學討論時，不用花費努力就能知道這時黑板在你的后方。這種由于身體的移動帶來的空間更新是實時的 、自動化的，幾乎不消耗個體的認知資源（肖承麗, 劉傳軍, 2014; Burgess, 2006; Wang, 2003,2012）。Wang 及其同事的一系列研究揭示了身體移動帶來的空間更新的一些特性（Simons & Wang,1998; Wang & Simons, 1999; Wang & Spelke,2000）。例如，在Simons 和Wang（1998）的實驗一中，要求被試在學習階段記憶一些擺放在桌面上的、用不同生活用品擺放成的場景，在測試階段通過觀察者移動或旋轉桌面帶來視角變化，結果發現雖然兩種方式能帶來同樣效果的視網膜圖像變化，但觀察者移動組在新異視像下的回憶準確率卻顯著高于場景旋轉組，與學習視角的回憶準確率并無差異。研究者對這一結果的解釋是：觀察者時刻表征著周圍物體與自己身體的位置關系，當自身移動時觀察者會自動地重新計算周圍物體與自己身體方向和距離信息，從而實時更新空間表征（Burgess, 2006; Wang, 2012）。

視角變化和空間更新的研究中采用的記憶任務幾乎均為外顯記憶任務（Burgess, Spiers, &Paleologou, 2004; Kelly, Sjolund, & Sturz, 2013; Xie,Li, Tao, Wei, & Sun, 2017）。然而，內隱記憶在保持時間、容量大小、編碼方式等方面都有不同于外顯記憶的特點（Schacter, 1992）；從神經機制來看，外顯記憶更多依賴于海馬和內側顳葉，而內隱記憶則更多依賴于特異感覺通道的大腦皮層、紋狀體等（Reber, 2013）。因此，空間更新效應在記憶的編碼和提取過程中存在特異性或一般性加工機制仍是一個值得關注的問題。本研究擬通過背景線索效應考察基于內隱記憶的三維場景是否存在背景線索效應。背景線索效應是內隱空間記憶的經典研究范式，通常要求被試進行視覺搜索任務，其中某幾個場景的多次重復呈現（即目標位置與背景布局的多次聯合呈現）將顯著提高個體在重復場景中的搜索績效（盡管被試在實驗最后的再認階段并不能辨別出重復場景）（Chun& Jiang, 1998）。

Chua 和Chun（2003）以背景線索效應為例，探究了內隱記憶中的視角變化效應。他們的場景由三維的保齡球狀物體組成，要求四組被試分別從4 個視角條件（0°, 15°, 30°, 45°）搜索場景中的目標物，并由此習得背景線索效應；在測試階段，要求四組被試都在0°視角下進行視覺搜索，結果發現學習階段習得的背景線索效應隨著測試視角和學習視角之間距離的增加而減弱甚至消失。研究者由此認為，背景線索效應是依賴于學習視角的，因而不能遷移到新視角。

研究者還考察了觀察者移動情況下的背景線索效應。Tsuchiai, Matsumiya, Kuriki 和Shioiri（2012）要求被試在T 和L 形成的空間布局進行視覺搜索以習得背景線索效應，并在測試階段通過不同的方式將呈現場景的平面旋轉40 度繼續進行視覺搜索。結果發現，如果視角變化是由場景旋轉帶來的，則背景線索效應在測試階段消失；如果視角變化是由被試走動帶來的，背景線索效應則保留；如果繼續讓被試走動到距離學習視角90 度的新視角，習得的效應消失。他們認為，僅在個體移動位置較小時，內隱知識能夠遷移到新視角。

然而，以上兩項研究有諸多不足。首先，其搜索場景中都沒有提供明顯的空間參照信息，組成搜索場景的物體分別是為無朝向的保齡球狀物體（Chua & Chun, 2003）、具有立體深度線索的字母T 和L（Tsuchiai et al., 2012）；而基于外顯記憶的研究發現，空間參照系是空間更新的重要影響因素（Mou et al., 2006），例如物體的同一朝向等（Marchette & Shelton, 2010）。其次，搜索場景均由抽象的、無語義信息的人工材料組成，不利于被試將其作為“可能發生視角變化的”的三維場景進行感知。再次，以上兩個研究均未將空間更新范式中場景旋轉、觀察者移動這兩個變量在同一個實驗中進行考察，無法討論兩個因素的交互作用。

本研究使用基于真實場景創建的虛擬三維物體作為實驗材料，考察背景線索效應能否遷移到場景旋轉、觀察者移動這兩種方式下帶來的新視角中。實驗場景由10 把顏色材質大小相同、特征不同的方形帶背靠椅子組成，椅子均朝向同一方向，從而提供場景內在參照系。通過投影儀將搜索場景呈現在平鋪在地面上的圓形幕布上，四組被試在同一視角進行背景線索效應的學習后，隨機分配到以下條件：a. 基線組（observer no move &scene no move, O0S0）觀察者和場景都與學習階段保持一致，此時視像與學習階段相同；b. 觀察者移動組（observer move & scene no move, O+S0）觀察者移動到60 度視角外的新位置，此時視像與學習階段不同；c. 場景旋轉組（observer no move & scene move, O0S+）場景往觀察者移動的相反方向旋轉60 度，以使視覺圖像和O+S0組相同，此時視像與學習階段不同；d. 空間更新同時場景旋轉組（observer move & scene move, O+S+）觀察者移動到新位置的同時，同時場景也朝相同方向旋轉，以使視覺圖像和O0S0組相同，此時視像與學習階段相同（見圖1）。實驗的假設是：在與學習階段視像不同的兩個條件下，如果觀察者移動組（O+S0）能夠遷移，而場景旋轉組（O0S+）不能遷移，說明存在空間更新效應；如果觀察者移動組（O+S0）和場景旋轉組（O0S+）都不能遷移，則說明不存在空間更新效應。

2 方法

2.1 被試

天津師范大學的60 名本科生參加了實驗，被隨機分為4 組，每組15 名被試（各組分別有4 名男生）。被試年齡在18～24（M=19.4）歲間，視力或矯正視力正常。實驗結束后獲得15 元報酬或等價禮品。

2.2 實驗設計

采用2（場景類型：重復、新異）×7（時間階段：1～7）×2（場景旋轉：旋轉、不轉）×2（觀察者移動：移動、不動）的四因素混合實驗設計。被試內因素為場景類型、時間階段，被試間因素為場景旋轉、觀察者移動。因變量為反應時。

2.3 實驗材料與設備環境

實驗場景中的3D 物體由SktchUp 8.0 軟件制作，并由Vizard 4.0（World Vizard, Santa Barbara,CA）虛擬現實軟件進行程序控制、刺激呈現和數據收集。虛擬場景是一個半徑為5 米的虛擬圓形房間，屋子的墻壁和地板都是灰色。場景由從前后左右4 個方向照來的平行光打亮，燈光為柔和暖色光，場景中所有物體均無陰影。虛擬場景的觀察視角是30 度的俯視視角，視野范圍內的地板被無形地分成了48 個區塊，塊與塊通過輕微位移避免形成明顯的行和列。10 把椅子將會隨機出現在48 個區塊的10 個位置上，目標所在的椅子平均分布在四個象限內。場景的椅子為顏色、材質、大小相同，但特征不同的方形靠椅。每把椅子椅面中間都橫放著一個綠色字母，目標“i”或干擾物“l”。每個字母都旋轉了90 度并緊貼在椅面上，橫放后的字母始終與被試的視線保持垂直以保證辨識難度的統一。為不同視覺深度的目標和干擾物搜索難度一致，根據虛擬環境中的深度距離對其進行了大小矯正。

2.4 實驗流程

實驗在一個光線昏暗的環境中進行。借助愛普生CB-570 多媒體投影儀，將實驗刺激投影到一個直徑為1.2 米的白色圓形幕布上。幕布前擺放兩把椅子和一個可調節高度的小桌，桌上的無線鍵盤供被試進行按鍵反應。

練習階段：屏幕上首先呈現文字指導語，告知被試實驗任務是視覺搜索任務。實驗場景由多把椅子組成，每個椅子上都橫放著一個綠色的字母“i”或“l”，要求被試盡快搜索到目標“i”并按鍵判斷其頭上的小圓點的方向：若小圓點在“i”的左側，按鍵盤上的F 鍵；若小圓點在“i”的右側，按J 鍵。按鍵后，自動進入下一試次的注視點界面，同時在注視點的上方會有文字反饋信息（綠色的“正確”或紅色的“錯誤”）。練習結束并且正確率為90% 以上，可以進入正式實驗，正式實驗包括三個階段，約30～40 分鐘。

學習階段：被試將進行30 個組塊（block）的視覺搜索，每個組塊有16 個試次（trial）。其中8 個為重復場景（8 個固定的目標位置與8 個場景背景的組合，每個組塊出現一次）；另外8 個為新異場景（8 個固定的目標位置，每次出現時對應的背景都是不同的），組塊間沒有停頓或提醒。每隔10 個組塊休息1 次，每次1 分鐘。

測試階段：被試將進行5 個組塊的視覺搜索，每個組塊有16 個試次。其中8 個是學習階段的重復場景，另外8 個是隨機生成的新異場景。第一個組塊中的16 個試次在接下來的4 個組塊中重復出現。

再認階段：實驗前被試并不知道有此項任務。向被試呈現8 個在學習階段和測試階段的重復場景、8 個是測試階段的新異場景、8 個是從未出現過的新異場景圖片，要求其判斷在該場景中目標應該出現在1～10 的哪一把椅子上，按鍵盤上的數字1～10 作答。場景中原有的目標被替換為了干擾子。回憶任務沒有時間限制，且對被試的回答沒有反饋。

3 結果

3.1 錯誤率和刪除率

搜索任務中的錯誤率為0.8%，四組被試之間的差異不顯著，F（3, 56）=2.64，p＞0.05。刪除每個被試三個標準差之外的數據，反應時小于200 ms的試次，以及錯誤的試次。所有刪除的試次數量占總試次的2.4%。四組被試之間刪除的數量差異不顯著，F（3, 56）=2.09，p＞0.05。

3.2 學習階段的反應時

為提高統計檢驗力，將30 個組塊等分為6 個時間階段并計算其平均值。各組被試在不同時間階段和場景類型下的反應時見表1。

為了解學習階段是否習得背景線索效應，以場景類型、時間階段為被試內變量，場景旋轉、觀察者移動為被試間變量，以反應時為因變量，進行2（場景類型：重復、新異）×6（實驗階段：1～6）×2（場景旋轉：旋轉、不轉）×2（觀察者移動：移動、不動）的四因素重復測量方差分析。結果發現：場景類型的主效應顯著，F（1, 56）=121.40，p＜0.001，η2=0.68，重復場景顯著小于新異場景。時間階段主效應顯著，F（5, 280）=31.26，p＜0.001，η2=0.36，簡單效應分析發現，階段3 顯著短于階段2（p＜0.05），階段4 反應時顯著短于階段3（p＜0.05），其他相鄰兩階段之間差異不顯著。場景旋轉的主效應、觀察者移動的主效應均不顯著，沒有發現任何顯著的交互作用（ps＞0.05）。

表 1 各組被試在不同時間階段和場景類型下的反應時（ms）

揭示背景線索效應中的場景類型×實驗階段的交互作用也不顯著，F（5, 280）=1.90，p=0.95。其原因可能是被試在第2–3 個組塊中已經習得了效應，所以單獨對組塊1 和組塊30 做進一步分析，2（場景類型：重復、新異）×2（組塊：1、30）×2（場景旋轉：旋轉、不轉）×2（觀察者移動：移動、不動）的四因素重復測量方差分析的結果顯示：學習階段×場景類型的交互作用顯著，F（1,56）=6.15，p＜0.05，η2=0.10。說明被試在該階段習得了背景線索效應。

3.3 學習階段和測試階段背景線索效應量的對比

背景線索效應量（conetxtual cueing effect,CCE）是指新異場景與重復場景的反應時間之差。學習階段以最后5 個組塊的平均值為代表，測試階段由所有5 個組塊的平均值來代表。各組被試在不同實驗階段背景線索效應量如圖2 所示。

為了解不同實驗階段的背景線索效應量變化，以背景線索效應量為因變量，進行（實驗階段：學習、測試）×2（場景旋轉：旋轉、不轉）×2（觀察者移動：移動、不動）的重復測量方差分析。結果發現：實驗階段主效應顯著，F（1,56）=12.99，p＜0.01，η2=0.19，測試階段顯著小于學習階段。場景旋轉的主效應、觀察者移動的主效應不顯著（ps＞0.05）。實驗階段×場景旋轉的交互作用顯著，F（1, 56）=4.18，p＜0.05，η2=0.07。簡單效應分析發現，在場景不旋轉條件下（S0），學習階段和測試階段的效應量差異不顯著（p＞0.05），即習得的背景線索效應得以保存；在場景旋轉條件下（S+），測試階段的效應量顯著小于學習階段（p＜0.001），即背景線索效應效應衰減。其他交互作用均不顯著（ps＞0.05）。

對比每個條件下學習階段和測試階段的背景線索效應量，結果發現：控制組學習階段與測驗階段差異不顯著，t（14）=1.34，p＞0.05；觀察者移動組學習階段與測驗階段差異不顯著，t（14）=0.75，p＞0.05；場景旋轉組學習階段顯著大于測驗階段，t（14）=3.87，p＜0.05，d=1.25；觀察者移動且場景旋轉組學習階段顯著大于測驗階段，t（14）=2.18，p＜0.05，d=1.01。結果說明，在控制組、觀察者移動組中學習階段的CCE 遷移到了測試階段，場景旋轉組、觀察者移動且場景旋轉組中學習階段的CCE 沒有遷移到測試階段。

為了解在測試階段各組是否存在背景線索效應，對比各組在測試階段重復場景和新異場景的反應時，結果發現：控制組差異顯著，t（14）=4.55，p＜0.001，d=0.76；觀察者移動組差異顯著，t（14）=2.58，p＜0.05，d=0.58；場景旋轉組不顯著，t（14）=0.89，p＞0.05；觀察者移動且場景旋轉組差異不顯著，t（14）=2.06，p=0.06，d=0.46。結果說明，測試階段控制組和觀察者移動組存在背景線索效應，場景旋轉組不存在背景線索效應，觀察者移動且場景旋轉組邊緣顯著。

3.4 再認階段的結果分析

再認階段共有3 種場景，分別為8 個學習階段和測試階段的重復場景（重復了35 次）、8 個測試階段的新異場景（重復了5 次）、8 個是從未出現過的新異場景（無重復）。這三種場景的再認正確率分別為7.66%、7.16%、8.33%，三組之間的差異不顯著F（2, 117）=0.57，p＞0.05。每個場景中有10 個可能位置，因而猜測概率為10%，所有被試的平均正確率為7.88%，顯著低于猜測概率（t=–3.93, p＜0.01）。說明被試沒有形成外顯記憶。

4 討論

從學習階段反應時的結果可以看到，不同的實驗組都習得了顯著的背景線索效應。本研究將Chua 和Chun（2003）的保齡球狀，更換為了具有語義信息的、細節更加豐富的三維椅子，依然發現了背景線索效應，說明該效應具有較強的適應性（Jiang, Song, & Rigas, 2005）。四組之間總體的反應時間和效應量都沒有差異，說明了各組之間是隨機分配的、具有可比性。

本研究最為關注的結果是學習階段的背景線索效應能否遷移到測試階段的不同條件下。從效應量的結果來看（見圖2），場景旋轉組（O0S+）的背景線索效應完全消失了，與Chua 和Chun（2003）的實驗結果相同，說明在增加了空間參照信息（椅子的統一朝向）之后，內隱記憶的知識還是不能遷移到場景旋轉帶來的新視角。這與實驗預期不同，其可能的原因是場景中有統一朝向空間參照信息是由椅子帶來的，而非搜索目標“i”和干擾子“l”帶來的，空間參照信息在內隱記憶中的作用有待進一步考察。實驗結果還發現，盡管與場景旋轉組一樣，在測試階段也看到了與學習階段完全不同的視像，但觀察者移動組（O+S0）的背景線索效應完全地遷移到了新異視角下。這樣的結果說明，觀察者移動能夠促進背景線索效應遷移到三維旋轉的視角中去，即出現了空間更新效應。Tsuchiai 等（2012）在研究中只發現了身體移動40 度條件下，背景線索效應能夠遷移，僅憑這一結果不能說明發生了空間更新；本研究同時考察了觀察者移動、場景旋轉兩個因素，結果發現場景旋轉且觀察者移動組（O+S+），即便測試階段的視像與學習階段完全一致，但背景線索效應還是顯著衰減了，這說明觀察者在移動的過程中確實更新了與場景中物體間的關系，即發生了空間更新。

本研究還為揭示了背景線索效應中記憶痕跡的編碼形式提供了潛在證據。研究者認為，背景線索效應中重復場景的記憶痕跡是以獨立的“樣例”來儲存的，自動化（行為表現的提升）是通過提取由先前多次加工同一個刺激而形成的記憶“樣例”而帶來的（Chun & Jiang, 1998; Logan,1988）。那么一個最基本的問題是，這些“樣例”有多么具體呢？如果這些“樣例”是對場景中抽象的空間關系的表征，背景線索效應應該可以推廣到已學場景的經過合理變化的版本上，例如觀察者移動帶來的視角變化；如果記憶痕跡是對當前視角下具體視像的表征，一旦已學場景的視像發生了變化，被試便不能將其與記憶中的場景進行匹配，從而導致無法利用記憶中的已編碼信息（Chua & Chun, 2003）。因此，基于本實驗結果，可以認為，背景線索效應中編碼的信息并不是基于視像的，而是包含了對場景中空間關系的加工（李士一, 白學軍, 王雨薇, 鄭蕾, 孫弘進, 2017）。

最后，本研究發現在細節豐富、熟悉度高的真實場景中，背景線索效應也可以是內隱的。大量的前人研究發現，真實場景的背景線索效應是基于外顯記憶的（Brockmole & Henderson, 2006; Shi,Zang, Jia, Geyer, & Müller, 2013）。外顯的結果是由真實場景的語義線索帶來的，還是真實場景中豐富的細節和熟悉度帶來的？本研究中的實驗場景是由10 把顏色材質大小相同、外形特征不同的椅子組成，在這樣的場景中雖然能夠快速辨別出椅子的身份，但不能對椅子及椅子之間的關系進行命名。通過這樣的操作，既提供了豐富的細節和熟悉度，又屏蔽了語義的線索，也控制了場景之間低水平刺激信息的差異。因此，盡管真實場景包含著豐富的細節和多種視角信息，而這些都能促進被試的外顯再認；在本實驗條件下，還是發現了內隱的背景線索效應，一定程度上說明了內隱和外顯的區別是由場景的語義信息導致的。

本研究也存在著不足：盡管我們聲稱本研究中的背景線索效應是以三維空間的形式表征的，但實際呈現的是二維圖片。多項研究采用立體視覺呈現刺激，發現與二維呈現表現出相同的背景線索效應（Tsuchiai et al., 2012; Zang, Shi, Müller, &Conci, 2017; Zhao et al., 2017）。在本研究中被試從學習視角移動到測試視角的過程中雖然確實發生了三維空間的關系變化，但呈現在被試視網膜上的二維圖片很可能與學習者經過心理旋轉的圖像表征有很大不同，這是后續研究需要改進的。

5 結論

（1）在背景線索效應范式中，被試能夠對三維場景中的內隱記憶進行空間更新。（2）通過結果可以推斷，背景線索效應中編碼的信息并不僅僅是基于視像的，而是包含了對場景中空間關系的加工。

參 考 文 獻

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