整體運動知覺老化的方向不同步性及其總效應 *

梁紫平 單金磊 王鵬鵬 韓宗義 金 花

(1 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) (2 天津師范大學心理學部，天津 300387) (3 學生心理發展與學習天津市高校社會科學實驗室，天津 300387) (4 天津工業大學電氣與電子工程學院，天津 300387)

1 引言

人們生活在一個不斷變化的動態環境中，對物體運動的準確知覺直接影響到個體的生活質量。知覺運動物體時，個體要對視覺場景中的局部運動元素的單個軌跡按照一定的規則進行選擇性整合進而形成全局性的運動知覺，即整體運動知覺（global motion perception, GMP）（Cai, Chen,Zhou, Thompson, & Fang, 2014）。GMP 是視知覺的重要組成部分，其下降還可能反映并預示了老年個體認知能力（Li, Guo, Wang, & Chen, 2017）等的下降。

健康成人的GMP 會出現隨年齡增長而發生老化現象（綜述見Billino & Pilz, 2019； Hutchinson,Arena, Allen, & Ledgeway, 2012； Owsley, 2011），且這種老化不受視網膜照度（Willis & Anderson,2000）和視覺系統基因變異（Kunchulia, Kotaria,Pilz, Kotorashvili, & Herzog, 2019）的影響。如Trick 和Silverman（1991）發現被試在整體運動方向辨別任務中的運動一致性閾值（以下簡稱“閾值”）隨年齡線性增長。Billino，Bremmer 和Gegenfurtner（2008）發現老年人左右平動和徑向整體運動敏感性（global motion sensitivity, GMS）顯著差于青年人。Bogfjellmo，Bex 和Falkenberg（2013）發現老年人旋轉GMS 顯著低于青年人。Willis 和Anderson（2000）發現老年人GMS 顯著低于青年人，且老年青光眼患者和年齡匹配組的GMS 之間沒有顯著差異。Kunchulia等（2019）發現老年人水平GMS 顯著低于青年人，且與廣泛分布在初級視皮層和視網膜上的膽堿能煙堿受體的alpha7 亞基的基因變異無關。

更重要的是，不同運動方向GMP 的變化可能存在不同步性。Hutchinson 和Stocks（2013）采用平動、旋轉和徑向的隨機點陣運動范式發現，動作視頻游戲玩家（VGPs）徑向運動閾值顯著低于非動作視頻游戲玩家（NVGPs），但兩者在平動和旋轉運動任務中的表現相當；且VGPs 的運動知覺優勢主要表現在收縮方向，提示不同方向的GMP 可能存在不同步的變化規律。在老化研究中，Pilz，Miller 和Agnew（2017）以及Shain 和Norman（2018）均發現老年被試水平向右的GMP 老化更為明顯。然而，迄今還沒有研究直接系統考察同一運動形式下不同方向GMP 的老化是否同步。

此外，實驗內微型元分析（internal mini metaanalysis）技術已被廣泛應用于整合同一篇文獻中的系列研究的效應量（Goh, Hall, & Rosenthal, 2016；Ueno, Fastrich, & Murayama, 2016）。該技術利用相應公式通過對實驗內統計指標的再次統計分析獲得兩個變量間真實的相關關系，提高研究結果的可靠性和可重復性（Braver, Thoemmes, & Rosenthal,2014），從而發現只有累積而不是單一研究才能發現的效果（Rule et al., 2015），為矛盾性研究結果提供支持（Lai et al., 2016）。而已有GMP 老化的研究僅考察單一或部分運動形式（Bogfjellmo et al.,2013； Gilmore, Wenk, Naylor, & Stuve, 1992； Roudaia,Bennett, Sekuler, & Pilz, 2010； Snowden & Kavanagh,2006）。因此，在同一研究中使用以上四種運動形式的GMP 方向判斷任務，并使用實驗內微型元分析技術對不同形式下GMP 的結果進行整合，既可以系統地考察不同運動形式下GMP 的老化效應，又可以更加直觀地反映GMP 和年齡之間的總效應。

在此，本研究擬通過兩個子研究探討GMP 老化的方向不同步性（研究1）和總效應（研究2）。研究1 采用經典的隨機點陣運動方向判斷任務，包含4 個2×2 兩因素混合設計的子實驗。其中，組別為被試間變量，分青年組和老年組；運動方向為被試內變量：水平任務下為向左和向右，垂直任務下為向上和向下，旋轉任務下為順時針和逆時針，徑向任務下為收縮和外擴。因變量為閾值，即被試判斷點陣整體運動方向所需的最少信號點占總點數的比值（Newsome & Paré,1988）。閾值越高，說明個體在該任務中的行為表現越差，GMS 越低。如果組別主效應顯著，老年組的閾值顯著高于青年組，說明老年人的GMS 低于青年人，GMP 存在老化效應。如果組別和運動方向之間的交互作用顯著，老年組在某一方向的閾值與青年組存在顯著差異；或兩個方向差異均顯著，但是顯著性不同，說明GMP 老化存在方向不同步性。研究2 使用實驗內微型元分析技術，將四種運動形式共八個方向的閾值進行整合。如果閾值之差的總效應量大于0，說明兩組被試的閾值之間差異顯著，老年人的GMP 存在普遍性衰退。根據前人關于GMP 老化的研究結果（Billino &Pilz, 2019），本研究提出以下預期：（1）老年組四種運動形式下的閾值顯著高于青年組，存在GMP 老化；（2）老年組四種運動形式中兩兩對立方向的閾值老化性升高程度不同，GMP 老化存在方向不同步性。

2 研究1：GMP 老化的方向不同步性

2.1 研究方法

2.1.1 實驗儀器和刺激材料

整體運動方向判斷任務采用隨機運動點陣范式（Newsome & Paré, 1988），見圖1。刺激通過基于MATLAB 軟件（https://www.mathworks.com/）的PsychToolbox（Brainard, 1997）呈現。屏幕刷新率60 Hz，分辨率1920×1080 像素。點陣呈現在黑色屏幕中央一個直徑為12 cm 的白色圓形孔徑中，視角11.42°，視距60 cm。點陣內共有100 個白色圓點（密度：0.88 點/cm2，大小：2 像素），所有點的運動速度均為5°/s，每個點持續50 ms，當點的生命時長耗盡或移出圓形孔徑后，會重新出現在圓孔中的任意位置，并保持原來的運動方向。點陣中的一部分點作為信號點運動方向一致，其余點作為噪音點運動方向隨機。水平運動條件下，信號點向左或向右運動；垂直運動條件下，信號點向上或向下運動；旋轉運動條件下，信號點沿順時針或逆時針方向運動；徑向運動條件下，信號點做收縮或外擴運動。實驗通過控制信號點占總點數的比例來操縱刺激的運動一致性水平，兩種對立方向的運動隨機出現且概率均等。

圖 1 隨機運動點陣刺激

2.1.2 實驗程序和任務

實驗在安靜的房間中進行，程序啟動后會在屏幕中央呈現紅色注視點提醒被試開始實驗，然后依次呈現點陣和白色圓點（被試反應200 ms 后消失），實驗流程參考金花等（2020）。要求被試在點陣出現后，通過按鍵盡可能準確（不要求盡快）地指出點陣的整體運動方向，并在不能確定時根據猜測做出判斷。

每種運動方向判斷任務均包括6 個session，第1 個session 作為練習不進入最后分析。采用“3 下1 上”的自適應階梯操縱刺激的運動一致性水平（連續3 次反應正確，一致性下降一個步長），每個方向均完成8 次反轉。點陣的起始一致性水平是100%，前2 次反轉步長為10%，后6 次為5%。分別計算兩種對立運動方向下后6 次反轉的轉折點處一致性水平的平均值作為個體該方向下的閾值（Allen, Hutchinson, Ledgeway, & Gayle, 2010；Hutchinson, Ledgeway, & Allen, 2014）。

2.1.3 數據處理

分別以各組均值的正負3 個標準差為上下限進行極端數據剔除，無極端數據。使用I B M SPSS21.0 軟件進行數據處理。

2.2 實驗1a：水平GMP 的老化

2.2.1 被試

參考本主題文獻的被試量（Bower & Andersen,2012； Shain & Norman, 2018），招募23 名青年人和18 名老年人為被試。實驗前使用FrACT3.9.8 軟件（Freiburg visual acuity test, michaelbach.de/fract/）（Bach, 1996）中的Acuity E 和Contrast C 測試分別剔除視力或矯正視力小于0.8、對比視敏度小于1.35 的個體。使用簡易精神狀態量表（MMSE）評估老年被試的認知狀態，剔除得分小于24 分的個體（Porter et al., 2017）。實驗中，由于操作失誤或MMSE 得分小于24 剔除兩名老年人。最后有效被試：23 名青年人（10 男，平均年齡21.37±1.63 歲）和16 名老年人（4 男，平均年齡66.23±2.84 歲；MMSE 平均27.44±2.03 分）。

有效被試視力或矯正視力正常，無弱視、白內障等視覺疾病；無認知障礙或各種原因所致的智能障礙；無精神分裂癥等精神疾病。所有被試有償參加實驗，并在實驗前簽訂知情同意書。

2.2.2 結果

閾值描述性結果見圖2 和表1。兩因素重復測量方差分析發現，組別主效應顯著，F(1, 37)=22.75，p＜0.001，=0.38，老年組的閾值顯著高于青年組；運動方向主效應不顯著，F(1, 37)=1.26，p=0.268；兩者之間的交互作用顯著，F(1, 37)=4.94，p=0.033，=0.12。簡單效應分析發現，老年組向右方向的閾值顯著高于向左（p=0.036），青年組的閾值不存在方向性差異（p=0.397）。同時，水平向左（p=0.001）和向右（p＜0.001）條件下，老年組的閾值均顯著高于青年組。結果表明老年人的水平GMS 下降，且向右方向更為嚴重。

圖 2 兩組被試左右閾值的差異

表 1 老年組和青年組的平均值差異及元分析結果（%）

2.3 實驗1b：垂直GMP 的老化

2.3.1 被試

招募22 名青年被試和18 名老年被試，老年被試中1 人中途退出，2 人MMSE 得分小于24 分被剔除，其余篩選條件同實驗1a。最后有效被試：22 名青年人（11 男，平均年齡21.63±1.61 歲）和15 名老年人（5 男，平均年齡66.30±3.45 歲；MMSE 平均28.13±1.46 分）。

2.3.2 結果

閾值描述性結果見圖3和表1。兩因素重復測量方差分析發現，組別主效應顯著，F(1, 35)=13.63，p=0.001，=0.28，老年組的閾值顯著高于青年組；運動方向主效應顯著，F(1, 35)=11.51，p=0.002，=0.25，向上方向的閾值顯著低于向下；兩者之間的交互作用顯著，F(1, 35)=4.41，p=0.043，=0.11。簡單效應分析發現，老年組向下方向的閾值顯著高于向上（p=0.001），青年組的閾值無方向性差異（p=0.316）。同時，垂直向下條件下老年組閾值顯著高于青年組（p＜0.001），垂直向上條件下兩組的閾值之間差異不顯著（p=0.056）。結果表明老年組的垂直GMS 存在衰退，且向下方向更為嚴重。

圖 3 兩組被試上下閾值的差異

2.4 實驗1c：旋轉GMP 的老化

2.4.1 被試

招募23 名青年被試和18 名老年被試，2 名老年人MMSE 得分小于24 分被剔除，其余篩選條件同實驗1a。最后有效被試：23 名青年人（13 男，平均年齡21.16±1.87 歲）和16 名老年人（7 男，平均年齡66.09±2.80 歲；MMSE 平均27.88±1.89 分）。

2.4.2 結果

閾值描述性結果見圖4 和表1。兩因素重復測量方差分析發現，組別主效應顯著，F(1, 37)=4.50，p=0.041，=0.11，老年組的閾值顯著高于青年組；運動方向主效應不顯著，F(1, 37)=0.76，p=0.390；兩者之間的交互作用顯著，F(1, 37)=5.38，p=0.026，=0.13。簡單效應分析發現，老年組順時針方向的閾值顯著高于逆時針方向（p=0.045），青年組的閾值不存在方向性差異（p=0.265）。同時，順時針條件下老年組閾值顯著高于青年組（p=0.007）；逆時針條件下兩組的閾值不存在顯著差異（p=0.310）。結果表明老年組旋轉GMS 存在衰退，且順時針方向更為嚴重。

圖 4 兩組被試旋轉閾值的差異

2.5 實驗1d：徑向GMP 的老化

2.5.1 被試

招募23 名青年被試和18 名老年被試，1 名青年和1 名老年被試矯正視力小于0.8，2 名老年被試MMSE 得分小于24 分被剔除，其余篩選條件同實驗1a。最后有效被試：22 名青年人（8 男，平均年齡22.20±2.26 歲）和15 名老年人（6 男，平均年齡64.95±4.03 歲；MMSE 平均28.33±1.72 分）。

2.5.2 結果

閾值描述性結果見圖5 和表1。兩因素重復測量方差分析發現，組別主效應顯著，F(1, 35)=4.22，p=0.047，=0.11，老年組的閾值顯著高于青年組；運動方向主效應不顯著，F(1, 35)=3.88，p=0.057；兩者之間的交互作用顯著，F(1, 35)=4.72，p=0.037，=0.12。簡單效應分析發現，老年組外擴方向的閾值顯著高于收縮方向（p=0.011），青年組的閾值不存在方向性差異（p=0.875）。同時，外擴條件下老年組閾值顯著高于青年組（p=0.012），收縮條件下兩組的閾值不存在顯著差異（p=0.663）。結果表明老年組的徑向GMS 存在衰退，且外擴方向更為嚴重。

3 研究2：GMP 老化的微型元分析

考慮到研究中可能存在的誤差變異，以及點陣運動形式和運動方向等刺激屬性的影響，研究2使用實驗內元分析技術擴大樣本量，將研究1 四個子實驗中不同運動形式不同方向的閾值進行整合以提高統計效力，對GMP 老化的總效應進行更準確的估計（Goh et al., 2016； Ueno et al., 2016）。

圖 5 兩組被試徑向閾值的差異

3.1 數據處理和軟件

實驗內微型元分析技術適合在收集了1 個以上相關研究數據的情況下使用（Case, Conlon, &Maner, 2015； Lim & DeSteno, 2016），研究1 共收集了4 個實驗的數據。此外，分別對4 個子實驗中青年組和老年組的年齡差異進行比較，結果顯示4 組青年人之間[F(3, 86)=1.29,p=0.283]和4 組老年人之間[F(3, 58)=0.57,p=0.636]均不存在顯著的年齡差異；對4 組老年人的MMSE 得分進行單因素方差分析未發現顯著差異，F(3, 58)=0.72，p=0.542，表明4 個子實驗中被試的同質性很高，符合實驗內微型元分析技術的要求。采用Cumming（2012）發布的Exploratory Software for Confidence Interval（ESCI）軟件對數據的平均值之間的差異（Md）進行元分析。具體分析步驟如下：（1）確定研究問題：GMP 的老化效應；（2）找到可以回答研究問題的最佳效應量ES：青年組和老年組閾值的平均值之差Md；（3）計算所選擇的ES 的點估計和置信區間CI[ll, up]，CI 反映了效應量估計的準確程度，其中ll 表示估計效應的下限，up 表示上限；（4）制作包含CI 的圖；（5）理解研究中的ES和CI。

3.2 結果

元分析結果顯示，老年組與青年組的閾值之差的固定效應量為Md=8.13，95%CI[13.81,22.59]，隨機效應量為Md=4.72，95%CI[10.74,26.01]（見圖6和表1）。該效應量大于0，且效應量95%的置信區間的最小值也大于0，說明老年組的閾值顯著高于青年組，即老年組的GMS 低于青年組，表明老年人的GMP 存在普遍性的衰退。

圖 6 老年組與青年組在平均值差異（Md）上的元分析結果

4 討論

本研究將水平、垂直、旋轉和徑向運動形式下兩種對立方向的閾值進行分離，探究不同方向GMP 老化的不同步性，并使用實驗內元分析技術探究GMP 老化的總效應。實驗結果表明，無論是針對單一運動形式的獨立分析還是忽略具體運動形式的實驗內微型元分析，老年組的GMS 均顯著低于青年組，支持了GMP 存在老化效應的觀點。更重要的是，本研究首次系統地證明了不同方向GMP 的老化存在不同步的變化規律，具體表現為老年人水平向右、垂直向下、順時針旋轉和徑向外擴方向的GMP 衰退更為嚴重，為GMP 老化的理論構建和延緩訓練提供了更為豐富的數據支撐和更有針對性的參考線索。

4.1 GMP 老化的方向不同步性

GMP 老化受到刺激運動方向影響的結果與前人基于平動范式得到的結果相符（Pilz et al., 2017；Shain & Norman, 2018）。Pilz 等要求被試判斷相繼呈現的兩個點陣中哪個點陣順時針偏移了軸向方向，結果發現老年組判斷順時針偏移垂直向上方向運動的準確率與青年組相似，但顯著差于偏移水平向右方向運動的判斷準確性。Shain 和Norman 以被試指出的方向與實際平動方向之間的平均絕對誤差（度）來反映判斷的準確性，發現老年組水平向右的和垂直向下的平均絕對誤差分別略高于向左和向上方向的，青年組無此類方向間的差異。本研究進一步發現老年人在旋轉和徑向運動上的GMP 老化的不同步性，為“GMP 的老化可能存在方向不同步性”的觀點提供了更為豐富的實驗依據。

然而，GMP 這種老化的方向不同步性的機制還有待于進一步探索。從現象上看，水平、垂直、旋轉和徑向四種運動形式下老年人GMP 老化的方向不同步性存在一個共同特征，即退化更為嚴重的方向正好是存在加工優勢或日常生活中更為頻繁出現的運動方向。例如，受閱讀和重力的影響，個體對水平向右和垂直向下的運動存在加工優勢（De Sá Teixeira, 2016； De Sá Teixeira, Kerzel,Hecht, & Lacquaniti, 2019）。在日常生活中，相對于逆時針方向的運動，人們更為頻繁地遇見順時針方向的運動，如鐘表指針行走的方向。徑向運動也存在相似的情形：雖然個體遇見靠近（外擴）和遠離（收縮）運動的概率可能相近，但從生存需要上考慮，個體更為關注靠近自身的運動物體，如迎面而來的人流或是機動車。但為何優勢知覺方向的老化更為嚴重尚沒有很好的科學解釋 ，需要更進一步的探究。

4.2 GMP 老化的總效應

總體上，本研究結果支持“GMP 存在老化效應”的觀點。已有的文獻，無論是連續取樣還是橫斷取樣，得到的實驗結果都表明GMP 存在老化效應（綜述見Billino & Pilz, 2019； Hutchinson et al.,2012； Owsley, 2011）。但除Allen 等（2010）的研究考察垂直、旋轉和徑向三種運動形式外，多數研究均是基于自己關注的單一運動形式上觀察到的結果推斷出GMP 存在老化（Bogfjellmo et al.,2013；Bower & Andersen, 2012；Kunchulia et al.,2019），極少有研究同時系統地關注四種整體運動形式的老化，如此，難以得到GMP 老化的總體效應。本研究采用實驗內微型元分析技術，將四個實驗的結果進行整合，發現老年組與青年組閾值之差的固定效應量和隨機效應量均大于0，且效應量95%的置信區間的最小值也大于0，說明老年組的閾值顯著高于青年組，老年人GMP 存在衰退。該結果為GMP 老化補充了有力的證據，完善了GMP 存在老化的結論。

已有研究認為，GMP 老化可能與老年人多種認知加工能力的下降和腦結構及功能的退化有關。一種可能是與老年人整合空間、時間信息能力的減弱有關。例如，Roudaia 等（2010）相繼呈現兩個水平運動點陣，要求被試判斷后一點陣運動方向相較于前一點陣是向左還是向右偏移。該實驗設置了8 種呈現間隔和7 種空間偏移量，結果發現老年被試對運動信息的整合能力局限在更小的時間間隔和空間范圍內。GMP 的老化還可能與老年人注意力的降低有關。在隨機點陣整體運動方向的辨別中，個體不僅需要整合跨時空的局部運動信息，還需排除噪聲刺激的干擾。而注意力可以提高知覺加工過程中的信噪比（Downing, 1988），但隨年齡增長，老年人的注意力存在衰退現象（McDonough,Wood, & Miller, 2019）。另一種可能是老年人GMP加工過程中內部噪聲的增加（Bogfjellmo et al., 2013；Bower & Andersen, 2012）或相關腦區功能改變（Biehl, Andersen, Waiter, & Pilz, 2017）導致的。Biehl 等使用fMRI 技術發現老年人在被動地觀看鑲嵌在噪聲中的徑向運動點陣時，腦顳葉中部及右額下回的激活顯著大于青年人。

本研究發現老年人的GMP 存在方向特異性衰退，為GMP 的老化提供了新的理論依據，但仍存在一定的局限性。如Trick 和Silverman（1991）以25～80 歲個體為對象發現被試閾值隨年齡線性增長，Wood 和Bullimore（1995）發現個體閾值每十年約提高17%。但本研究僅選取了兩個離散的年齡段，在將來的研究中可以考慮擴大被試年齡范圍，以進一步探究GMP 隨年齡的老化進程。

5 結論

老年人的GMP 存在跨運動形式的普遍衰退，且水平向右、垂直向下、順時針旋轉和徑向外擴方向的老化更為嚴重。

致謝本研究得到了國家自然科學基金的資助（31971021）。數據的采集和分析過程得到了賈麗娜、劉婷、朱子良、李想、王超、王一凡、張羽萍和張雪的幫助和指導，在此一并致謝；誠摯的感謝也致予參與本研究的所有被試。