自主動作對目標覺察速度與辨別能力的影響

王碧野，周成林，郭 瑋

自主動作（voluntary action），是指具有明確目的性的動作，它是人類生存與生活的基礎[1-3]，也是體育活動的基礎成分[4]，每個自主動作都對應著一個特定的效果[1-2]，如按下按鈕后燈亮，燈亮了就是這個自主動作的對應效果。與之相對的概念是非自主動作（involuntary action），其不具有目的性，動作的執行不會產生特定的效果，甚至自己都意識不到曾做過該動作。個體通過執行自主動作產生特定的效果與環境進行交互，這些效果通過感知系統被個體覺察[5]。因此，有學者推測，自主動作對感知加工可能存在一定影響。S.O.ALIU 等[6-9]證明了這種影響的存在，并將其稱為自主動作引起的感知衰減，其表現為個體對自主動作對應的效果感知發生衰減，這種衰減具有特異性，不是普遍的衰減，只針對自主動作的效果發生衰減。從進化的角度考慮，如果個體具有某種特性，它應該是對個體生存具有積極的意義，但自主動作可以導致感知衰減，其對于人類有何種意義尚不明確。

為了探索其積極作用，應該首先從其機制中進行探尋。在自主動作引起感知衰減的機制中，預激活（pre-activation）假說被最廣泛地接受，其最初由學者基于fMRI的研究結果提出[10-11]，它對自主動作引起感知衰減的成因進行推測，其主要觀點為：自主動作的神經產生指令的同時，一個預測動作效果的傳出副本（efference copy）也會生成，比較器（comparator）會將預期效果和實際情況對比，以保障自主動作的順利執行[7，12]。傳出副本會導致相關感知系統的預先激活（見圖1），感知系統的預激活意味著相應的神經活動增強。若將個體對效果的探測加工視為信號檢測過程[13-14]，神經的自發活動就是該加工過程的噪音，這種預先增強的神經活動就可以被視為噪音的增大。增大的噪音會最終導致感知衰減[15]。

圖1 預激活假說示意圖Figur1 Sketch Map of Pre-activation Hypothesis

根據預激活假說[10-11]，如果個體執行的動作和效果沒有關系，即在非自主動作條件下進行動作，此時對效果的感知不會有額外影響，個體內部表征達到反應標準，即探測到效果出現，其所需時間為t1；如果個體執行的動作和效果是對應的，即在自主動作條件下執行動作，此時個體對效果的感知發生預激活，探測到效果出現的時間為t2，t2 將會小于t1（見圖2）。據此，可以推出本研究第1 個假設：自主動作可以提升對目標覺察的速度。

圖2 自主動作加速對目標覺察的示意圖Figure 2 Sketch Map of Target Detection Speed Acceleration by Voluntary Action

上述情形中，只存在一組自主動作和效果的對應關系，個體進行探測加工。當存在2 組以上的對應關系，個體需要進行辨別加工，此時自主動作會對辨別加工產生的影響尚不明確。根據信號檢測論的兩維模型[13]，辨別任務依靠2 組神經群之間的競爭，結合預激活假說，當自主動作執行時，其效果對應的神經群得到預激活。假設S1、S2分別代表個體對2個效果的特異性表征，d1 代表無預激活情況下兩者的“感知距離”，如一個效果（S2）發生預激活，則“感知距離”由d1變為d2，即預激活導致兩者之間的“感知距離”增大（見圖3）。據此，提出本研究的第2個假設：自主動作可以提升對不同效果的辨別能力。近年來，在研究自主動作對感知影響的研究中，研究者普遍達成需要排除預判因素潛在影響的共識，通常在研究中增加一般線索提示條件作為控制條件[9]。本研究將借鑒此設置對預判可能產生的影響進行控制。

圖3 自主動作中的辨別任務的兩維模型[13]Figure3 Two Dimensions Model of Discrimination Task in Voluntary Action

綜上，本研究基于預激活假說與信號檢測論，通過行為學實驗，對自主動作如何影響感知加工進行探索。研究總假設：自主動作可以加快對動作效果的探測速度；自主動作可以提高個體對不同動作效果的辨別力。

1 實驗1：自主動作對目標探測速度的影響

1.1 研究目的

本實驗基于預激活假說和信號檢測論，通過單因素組內設計，對自主動作可以加速個體對效果探測速度的假設進行驗證。

1.2 研究對象與方法

1.2.1 被 試 本實驗共招募20 名被試，其中男生9 人，女生11 人，年齡為（20.4±1.3）歲。所有被試均為上海體育學院運動人體專業本科生（無任何運動訓練經驗），沒有參加過任何相關實驗，視力或者矯正視力正常，未報告有神經系統疾病或精神疾病，右利手。禁止被試在實驗前24 h攝入咖啡因或酒精。在實驗結束后，為被試提供適當現金報酬。

1.2.2 實驗材料 本實驗的主要刺激材料為一組由100個灰色圓點構成的隨機動點（random dot kinematogram，RDK），其物理參數設定同前人研究[9]一致，動點的顏色為RGB[100，100，100]，半徑為2個像素。RDK會隨機分布在屏幕中心直徑200像素的圓形區域內，其中有固定比例為P的動點向上運動，其余動點運動方向由程序隨機生成。所有動點一旦開始運動，該試次中方向不再變化，動點速度為50 像素/s，運動持續100 ms。P值越接近1，則向上運動的點越多；P值越接近0，則運動方向完全隨機的點越多。P值由被試各自通過參數評定測試確定。在參數評定測試中，被試需要對當前RDK當中是否存在運動方向一致向上動點做出判斷，通過按鍵進行結果報告，“m”鍵代表存在，“n”鍵代表不存在。P值越小，判斷難度越大。為了避免可能出現的天花板或地板效應，將每個被試的正確率控制在70%～80%。參數評定程序以每20試次計為1個單元，計算1次正確率，若小于70，則增大P值；若大于80，則減小P值；其余情況P值不變。P值每次調整0.05，直至被試在3個計算單元內P值都不需要調整，結束程序并輸出當時的P值，用以后續測試參數設置。最終，被試P值最小為0.4，最大為0.65，均數為0.56，標準差為0.059。

1.2.3 實驗任務 實驗1的任務包含2個部分：（1）自主動作部分用以探索自主動作是否可以加速對目標探測速度；（2）非自主動作部分用以探索單純的線索提示下對目標的探測速度。以上每個部分當中，都各自包含1個學習階段和1個測試階段，整體流程見圖4。

圖4 實驗1流程圖Figure4 Procedure of Experiment 1

在自主動作部分，學習階段用以幫助被試掌握一個自主動作機器對應的效果。實驗進行單盲控制，被試不知道學習階段的真正目的，而是被告知需要學習對1 s 時間長度判斷進行學習，而實際上本階段是進行自主動作和效果對應關系的學習。具體而言，每個試次以1 個呈現在屏幕中心的黑色圓點作為開始信號，被試覺得從開始信號開始，時長恰好為1 s的時候，用左手食指立即按下“x”鍵進行報告。在按鍵報告50 ms 后，1 組RDK 出現在屏幕規定區域內，其中90%的動點一致向上運動。為了讓被試更加確信自己是在學習對時長的估計，被試的按鍵與1 s的誤差要小于200 ms，否則該試次視為無效，一旦判斷為無效試次后，測試程序再添加1個學習試次。

測試階段同學習階段類似，每個試次以1 個屏幕中心出現的黑色圓點開始，被試需要在0.5～2 s內按“x”鍵報告估計的1 s的時長，超出該時間范圍標記為無效試次。一旦判定為無效試次，測試程序會增加1 個新的試次，以保證每個block 內完成40個有效試次。RDK在被試按鍵50 ms后出現，被試需要判斷其中是否存在運動方向一致的1 組動點。如果存在，需用右手食指快速按下“n”鍵，如果不存在則無需按鍵。

非自主動作部分也包含學習和測試階段。被試在學習階段掌握線索提示和RDK 一致運動的對應關系。每個試次開始于1個黑色圓點，RDK在隨機0.8～1.2 s出現，其中90%動點運動方向一致向上。在測試階段，RDK出現在黑色圓點呈現的0.8～1.2 s 內，被試要通過右手食指按“n”鍵報告其中是否存在運動方向一致向上的1組動點。一致向上運動的動點的比例P由實驗前的參數評定測試確定。

1.2.4 實驗設備與流程 本實驗中的視覺刺激呈現由1臺分辨率為1 920×1 080的23寸AOC顯示器完成，其刷新率為144 Hz，響應時小于1 ms，顯卡為AMD 公司的RX470。實驗程序的實現和數據采集通過運行于Matlab（2016b）平臺上的Psychtoolbox 3.0工具箱完成。

所有被試均在各自約定的時間準時參加實驗。被試自行閱讀知情同意書后，充分了解實驗內容并簽字確認。隨后，主試對必要內容進行口頭講解，被試需要按照要求進行實驗。實驗過程中，被試端坐于顯示器前，眼睛與顯示器中心平行，距離顯示器1.2 m。在測試階段，主試通過指導語強調按鍵速度要盡可能快。

為了確保被試在學習過程中可以將注意力保持在RDK上，學習程序中設置了少量特殊試次，平均20個試次中出現1次特殊試次。在特殊試次中，RDK中的全部動點將變成紅色，被試必須在變紅的400 ms內按空格鍵，否則程序將自動增加1個特殊試次和額外10個普通試次。2個部分的學習階段均有3個block，每個block中包含40個普通試次和相應的特殊試次。在每個部分的學習階段完成后，隨即開始相應的測試階段，測試階段由2 個block組成。整個實驗約持續30 min。為了減少疲勞對實驗的潛在影響，被試在每個block之間可以選擇進行適當休息。

1.2.5 數據的采集與分析 行為學數據通過運行于matlab 平臺的Psychtoolbox 3.0 工具箱完成。主試編寫的實驗程序在每個被試完成測試后，自動剔除反應時中的極端值（3個標準差以外），并將該試次剔除正確率分析，隨后輸出校正后的數據。采用相關樣本的T檢驗對數據進行統計分析。

1.3 結 果

本實驗采用單因素組內設計，自變量為自主動作是否存在，共分為自主動作和非自主動作2 個水平。被試在自主動作條件下，反應時為（406.2±59.3）ms，在非自主動作條件下為（435.6±59.5）ms，差異顯著（t=-2.536，P＜0.05，Cohen'sd=0.49）。被試在自主動作和非自主動作條件下正確率分別為0.83±0.07和0.82±0.07，均符合正態分布，兩者差異不顯著（t=0.058，P=0.954）（見圖5）。

圖5 2種條件下被試的反應時和正確率Figure5 The Reaction Time and Accuracy of Participants in Two Conditions

1.4 小 結

由以上結果可以知，當存在一個自主動作及其對應的效果時，執行自主動作可以加速對效果的覺察速度。

2 實驗2：自主動作對不同效果辨別力的影響

2.1 研究目的

基于辨別任務的兩維模型與信號檢測論[13-14]，可以得到如下假設：自主動作可以提升個體對不同動作效果的辨別力，一般的線索提示不具有該效果。

2.2 研究對象與方法

2.2.1 被 試 同實驗1。實驗1的被試在實驗1完成后，同主試約定時間進行實驗2，該時間至少在參與實驗1 24 h后。所有參加實驗1的被試均參加了實驗2。

2.2.2 實驗材料 實驗材料與實驗1相同。

2.2.3 實驗設計 本實驗包含2個部分：（1）自主動作部分采用單因素組內設計，自變量為自主動作和效果的一致性（一致、不一致），因變量為被試的辨別力d'、反應標準c、反應準確率和反應時；（2）線索提示部分同樣采用單因素組內設計，自變量為線索提示的有效性（有效、無效），因變量同樣為辨別力d'、反應標準c、反應準確率和反應時。

2.2.4 實驗任務 本實驗任務分為自主動作部分和線索提示部分，每個部分各自包含學習階段和測試階段，2 個部分分別進行。

在自主動作部分，學習階段用以幫助被試掌握自主動作和效果的對應關系。該階段依然采用類似實驗1 中的單盲控制，被試將左手的中指與食指分別放在“x”和“z”鍵上，進行估計1 s時長的任務，隨意選擇按鍵進行報告，2 種按鍵的數量要接近。按鍵后會出現2種可能效果：RDK中90%的動點向上或向下。2種效果分別對應2 個按鍵動作，對應關系在所有被試間平衡。有效按鍵的時間范圍與實驗1相同。

自主動作部分的測試階段類似于實驗1 的測試階段，不同之處在于：（1）被試自主動作按鍵有2 個，分別對應2 個效果；（2）按鍵后的效果與學習階段掌握的對應效果僅在50%試次中一致，另外50%試次中不一致；（3）被試需要判斷一致運動方向是向上還是向下。被試通過右手食指和中指按“n”和“m”鍵進行報告。按鍵與答案的對應關系在被試間進行平衡匹配，防止產生額外的干擾。自主動作部流程見圖6。

圖6 實驗2自主動作部分流程圖Figure6 Procedure of Voluntary Action Condition in Experiment 2

在線索提示部分，同樣包括學習階段和測試階段（見圖7）。學習階段通過紅色或藍色圓點來“觸發”RDK出現，被試不要按鍵，除此以外均和自主動作部分一致；在測試階段，被試同樣不需要按鍵觸發RDK，只需判斷動點一致運動的方向是向上還是向下。其他設置均與自主動作部分相同。

圖7 實驗2線索提示部分流程圖Figure7 Procedure of Cue Condition in Experiment 2

2.2.5 實驗設備與流程 實驗設備同實驗1。在自主動作部分，每10 個試次，主試會提示其2 個按鍵的數量，以幫助其控制整體按鍵數量接近。為了保證對效果的注意，本部分同樣設置了特殊試次，其設置與懲罰手段均與實驗1 相同。被試需要完成3 個block 的學習，每個block 需要包含40 個有效試次。被試在2 個部分之間可以進行充分休息，在每個block 之間可以進行適當休息。所有被試均先完成自主動動作部分，隨后進行線索提示部分。被試共需約1 h 完成實驗2 全部內容。

2.2.6 數據的采集與分析 本實驗數據采集平臺同實驗1。考慮到對2 個信號進行辨別，辨別力d'不再是對信號和噪音的辨別能力，而是對2 個信號的分辨能力，為了方便計算，將其中向上定義為“信號”，向下則定義為“噪音”。計算如下：辨別力d'=Z擊中-Z虛驚，反應標準其中Z1為低強度刺激時的正確拒斥概率的Z值。被試擊中率為100%的情況下，將擊中率修正為其中N為最大可能虛驚數[16]，以保證Z擊中可以計算。本實驗分成2 個部分，對被試的正確率、反應時、反應標準c和辨別力d'4 個因變量分別進行相關樣本的T檢驗。

2.3 結 果

2.3.1 自主動作部分 本實驗中，被試需要在2 種條件下對自主動作的效果進行辨別，一種為自主動作和效果一致的條件，另一種是不一致的條件。在2 種條件下，被試辨別力d'差異顯著（t=2.30，P＜0.05，Cohen'sd=0.33），反應標準c 差異不顯著（t=-1.07，P=0.3），反應的正確率差異顯著（t=2.28，P＜0.05，Cohen'sd=0.36），反應時差異不顯著（t=-0.81，P=0.43）（見表1）。因此，被試對自主動作對應效果的辨別能力更強。

表1 被試反應結果表（M±SD）Table1 Main characteristics of the participants’reaction.

2.3.2 線索提示部分 本測試階段中，刺激和線索提示的對應關系可能同學習階段的對應法則一致，也可能不一致。對2 種情況下的行為結果（見表2）進行T檢驗發現：在信號檢測論指標上，被試在2 種條件下的辨別力d'差異不顯著（t=0.21，P=0.837），反應標準c差異也不顯著（t=1.544，P=0.14），被試反應的正確率差異不顯著（t=0.36，P=0.72），反應時差異也不顯著（t=-0.523，P=0.61）。

表2 被試反應結果表（M±SD）Table2 Main characteristics of the participants’reaction.

2.4 小 結

由以上結果可知，自主動作可以增強對不同效果的辨別能力，單獨進行預判加工無法產生該效益。

3 討 論

3.1 自主動作加速對動作效果的覺察速度

已有研究證明了自主動作可以引起感知衰減，這些衰減現象在眾多感知覺加工上都已經得到證實[7-9，17-22]。但是，從生物進化的角度考慮，這些衰減應該具有一定的積極意義。根據預激活假說，自主動作可以引起動作效果表征的預先激活，這些激活一方面導致了感知衰減的發生；另一方面，結合信號檢測論，預激活可以縮短內部表征強度從基線上升到反應標準所需的時間，從而導致加速對刺激的探測過程。

實驗1的結果證實了上述的推測。在執行自主動作的條件下，被試的反應時更短，說明其對目標探測的速度獲得了提升。在使用類似任務的研究中，通常都結合信號檢測論對結果進行分析[9，23-26]。信號檢測論最常見的指標為辨別力d'和反應標準c，但是實驗1 的結果分析沒有使用這些指標，并非因為這些指標無法獲取，而是這些指標對于本實驗的意義有限，且可能存在一定的誤導。辨別力d'和反應標準c代表個體對信號與噪音的辨別能力和反應的標準，計算需要依靠個體在實驗中的行為數據。在實驗1中，主試對反應速度進行著重強調，被試在過度重視反應速度的情況下，“虛驚”（false alarm）必然會增多。但這種增多的“虛驚”反應并不是由于對信號發生了錯誤的覺察而產生的，而是更有可能在強調速度的情況下，無法對動作進行有效的抑制所產生。這種虛假的虛驚，類似于研究抑制功能的Go/Nogo任務中無法停止動作時的錯誤反應[27-28]。因此，實驗1的結果統計與分析舍棄了以上2個指標。前人的研究中沒能發現類似的加速效應[9，15]。其可能的原因在于實驗1 中強調速度的設定，前人研究中沒有強調反應速度，加之速度指標的敏感性不夠，不足以體現自主動作動對探測速度的影響。

3.2 自主動作提高對不同效果的辨別力

實驗2發現了自主動作可以提高對不同效果的辨別力。這可能是自主動作引起感知衰減的積極意義之一。實驗2的結果容易讓人覺得與前人的研究存在矛盾。前人研究發現，自主動作導致辨別力d'降低[9，15]，這也是自主動作可以引起感知衰減的重要數據支撐，而在實驗2 中，辨別力d'是升高的。實際上，以上矛盾并不存在。首先，實驗2中的辨別力d'是指對2個效果進行辨別的能力，而自主動作引起感知衰減研究中的d'是指從噪音中辨別信號的能力，雖然同表述為d'，但本質截然不同；其次，實驗2中被試進行辨別任務，而前人研究中進行的是探測任務，兩者任務完全不同；最后，基于辨別加工的兩維模型，辨別加工可以視為2 組神經群之間的競爭，而前人研究中的探測加工是一組神經群的激活[13-14]，兩者加工過程不同。通俗來講，前人研究發現執行一個動作的時候，對這個動作效果的感知發生衰減[9]，而實驗2 證明當有2 個自主動作和2 個對應效果存在的情況下，對兩者的辨別能力會提高，2種結論之間不存在矛盾。

自主動作在執行過程中，必然伴隨對效果的預判[29-31]，因此難以將自主動作的效應和預判的效應進行有效分離。前人的研究設置一般線索條件的控制實驗，用以排除預判的干擾[9]。實驗2參考了這一設置，增加了線索提示部分，該部分結果發現預判有效性無法單獨對2 類效果的辨別力d'造成影響，從而進一步確認實驗2中導致辨別力d'提升的原因是自主動作的準備或執行，而非基于提示的預判加工。

為了探索自主動作對目標覺察速度及對不同效果的辨別能力的影響，本研究設計并實施了2 個實驗，證明了研究假設。但研究中仍存在以下問題：（1）受限于實驗時長的影響，研究的被試數量較小，僅達到可以滿足統計功效的最低需求；（2）研究任務較為復雜，學習階段耗時較長；（3）實驗2 的被試與實驗1相同，理論上可能存在學習效應的干擾；（4）研究關注對物體運動一致性的判斷，未能探索對更多感知加工的影響。綜上，后續研究應該考慮增加樣本量、改良實驗任務，并將研究焦點拓展到更多感知加工。

4 結 論

（1）自主動作可以加速個體對效果的覺察速度。（2）自主動作可以增強對不同效果的辨別能力，單獨預判加工無法產生該效益。