刺激–反應聯結學習在項目特異性比例一致效應中的作用*

夏天生 譚 玲

(1 廣東工業大學藝術與設計學院，廣州 510090) (2 廣東工業大學管理學院，廣州 510520)

1 引言

比例一致（proportion congruency, PC）效應通常被用來研究認知控制的動態變化，是指在沖突任務中通過偏置（bias）一致試次與不一致試次的比例來改變沖突效應量大小的現象（Logan &Zbrodoff, 1979）。比例一致效應廣泛存在于常見的沖突任務（如Stroop任務、Simon任務和Flanker任務）中，引起了研究者的關注。大量實證研究表明，在沖突任務中，當一致試次占多數時，沖突效應顯著變大；反之，則沖突效應顯著變小（Jacoby,Lindsay, & Hessels, 2003）。例如，在Simon任務中，要求被試根據刺激的顏色進行反應，忽略刺激的位置，當刺激和正確反應在被試身體同側時為一致試次，在身體異側時為不一致試次。結果發現，一致試次的反應時顯著快于不一致試次，且錯誤率更低。這種現象被稱為Simon效應，兩種條件下反應時的差值即Simon效應的效應量。當研究者改變一致試次與不一致試次的比率，效應量會隨之發生改變（De Jong, Liang, & Lauber, 1994）。基于認知控制的計算模型，研究者提出了注意調節理論（Botvinick, Braver, Barch, Carter, & Cohen,2001）：認知控制系統會自動監測任務中的沖突，并將監測到的沖突情況傳遞給大腦的執行控制區域，后者會根據沖突發生的頻率策略性地調節注意資源在任務無關維度和相關維度上的分配。當任務中一致試次占多數時，無關維度（位置）可能是正確反應（同側反應）的有效線索，因此將更多的注意資源放在無關維度的加工上，有利于一致試次的反應，但干擾了不一致試次的反應，從而使沖突效應變大了；反之，不一致試次占多數時，任務無關維度可能與正確反應相矛盾，更多的注意資源被放在任務相關維度的加工上，同時過濾位置信息減弱其不利影響，這有利于不一致試次的反應，但抑制了一致試次的反應，因此減小了沖突效應（Botvinick et al., 2001）。

注意調節理論還被用來解釋項目特異性比例一致（item-specific proportion congruent, ISPC）效應（Bugg, Jacoby, & Chanani, 2011）。ISPC是指在整體上一致與不一致試次的比率是相同的（例如，各占50%），但在不同的刺激項目上，二者的比率是偏置的。例如，在Stroop任務中，研究者將特定的刺激詞（即項目，items）設置為多數一致條件（例如，黃色和白色）或者多數不一致條件（例如，藍色和綠色），然后把四種刺激項目混在一起（Bugg et al., 2011）。詞語“黃色”多數條件下用黃色呈現，而少數條件下用白色呈現；反之詞語“藍色”多數條件下用綠色呈現，而少數條件下用藍色呈現，結果表明，“藍色”項目中的Stroop效應要顯著小于“黃色”項目中的Stroop效應。研究者認為，可能存在局部的、項目特異性的認知控制機制，可以根據單個項目的比例偏置情況選擇性地進行注意資源分配從而影響不同項目的反應（Jacoby et al., 2003）。

然而，注意調節理論近來受到了其他研究的挑戰（Schmidt & Besner, 2008; Schmidt & Lemercier,2019）。Schmidt和Besner認為，ISPC效應中比例一致性與刺激–反應的可能性混合在一起，可以用更經濟的可能性學習來解釋這一效應。該研究提出了可能性學習假說（contingency learning hypothesis），表示認知控制不是必要的，被試完全可以通過學習發現刺激無關維度與正確反應的可能性關系，并基于此預測正確的反應。在沖突任務中，一致試次占多數時，刺激常常伴隨著一致的任務無關的刺激屬性，這一屬性有很大可能性可以去預測正確的反應，而多數試次為不一致時，被試可能根據伴隨的不一致的任務無關刺激屬性去預測反應（Schmidt & Lemercier, 2019）。這一策略可以加快一致或不一致試次的反應，從而產生ISPC效應。可能性學習假說基于刺激–反應（stimulus-response, S-R）之間的聯結解釋了ISPC效應，是S-R聯結學習的一種方式（Schmidt, 2013）。

此外，本研究注意到支持S-R聯結學習的新證據，即沖突效應可以隨比例一致操縱而出現反轉的現象。例如，研究者發現Simon效應會隨著不一致試次比例的增加而反轉（Marble & Proctor,2000）。這種沖突效應反轉的現象很難通過自上而下的認知控制來解釋，因為認知控制對任務無關或相關維度的注意調節是有限度的，其最大限度是完全排除干擾，那么此時任務中不存在沖突，即沖突效應為零，但注意調節不能解釋沖突效應反轉（Xia, Li, & Wang, 2016）。因此，本研究采用Simon任務的一個變式，即Hedge和Marsh任務（以下簡稱H&M任務）（Hedge & Marsh, 1975）去探討聯結學習與認知控制在ISPC中的作用。與Simon任務相比，H&M任務引入了任務規則，即相同顏色規則和不同顏色規則，先呈現規則，隨后在刺激界面的屏幕下方會出現顏色反應標識來說明按鍵的顏色屬性，見圖1。在相同顏色規則條件下（same-color rule, SC），被試需要按與刺激相同顏色標識的按鍵進行反應，而在不同顏色規則條件下（alternate-color rule, AC），被試則需要按與刺激不同顏色標識的按鍵進行反應。在H&M任務中，相同顏色規則下會得到正的Simon效應，而不同顏色規則下會得到負的Simon效應（De Jong et al., 1994）。

圖1 實驗程序

綜上所述，兩種理論均得到實證研究的支持（Bugg & Hutchison, 2013; Schmidt, 2016）。對比分析發現，S-R聯結學習是一種空間編碼的自動激活，而注意調節理論是對規則的一種主動控制加工，從自動激活的加工到主動控制的加工可以看作是個體認知參與的不同程度，而其中的決定性因素是編碼的顯著性（salient），即當S-R編碼具有顯著性優勢時，個體會自動激活S-R間的空間編碼并利用其預測正確的反應，而當S-R編碼不具有顯著性優勢時，個體會基于規則進行控制加工以減少任務中的沖突（Lien, Pedersen, & Proctor,2016）。由此，本研究采用顯著性編碼假說來整合兩種理論。此外，考慮到先前研究中的反轉沖突效應多是整體水平的比例一致效應，而在ISPC水平上尚未發現存在沖突效應反轉的現象。因此，本研究操縱兩個實驗，結合H&M任務與ISPC設置，探討聯結學習在比例一致效應中的作用。實驗1將任務無關的刺激維度（即，空間位置）作為ISPC的信號，而實驗2將任務相關的刺激維度（即，顏色）作為ISPC的信號。研究假設：如果S-R聯結被用來預測正確的反應的話，那么不一致試次比例的增加將導致相同顏色規則下Simon效應的反轉，而一致試次的比例增加將導致不同顏色規則下負的Simon效應的反轉（即變化為正的Simon效應）；反之，如果ISPC效應主要是注意調節造成的，那么ISPC的操縱將改變沖突效應的大小，但不能將其反轉。本研究預期，在任務無關維度作為比例偏置信號時，S-R聯結學習將使沖突效應反轉，而在任務無關維度作為比例偏置信號時，S-R聯結學習不起作用，從而使比例一致效應消失，因此從兩個方面共同支持刺激–反應聯結學習理論的解釋。

2 實驗1：任務無關維度作為信號對ISPC效應的影響

采用任務無關的刺激維度（即空間位置）作為ISPC的信號，來探討S-R聯結在ISPC效應中的作用。注意調節理論預期ISPC操縱將引起沖突效應的變化但不能反轉，而S-R聯結學習將預期沖突效應隨著ISPC操縱產生反轉。

2.1 研究方法

2.1.1 被試

38名廣東工業大學的本科生（20.60±2.30歲）參加了本實驗，其中女性25名。被試均為右利手，視力或矯正視力正常。所有被試提供書面的知情同意書。

2.1.2 實驗設計

采用2[比例水平：75/25（多數一致，簡稱MC）、25/75（多數不一致，簡稱MI）]×2（任務規則：相同顏色、不同顏色）×2（刺激–反應一致性：一致、不一致）被試內設計。因變量包括反應時和錯誤率。

2.1.3 設備與刺激

實驗設備是一臺21寸的CRT彩色顯示器，采用Presentation軟件呈現刺激。在實驗過程中，被試坐在暗室，距離顯示器60厘米，屏幕背景為黑色，首先在中央位置呈現“+”注視點，視角為2.8°×2.8°。然后在屏幕下方呈現兩個矩形的反應按鍵標識，分別為綠色和紅色，視角是垂直1.4°×水平2.8°。之后在屏幕上方呈現正方形的目標刺激，可能是紅色（RGB: 255, 0, 0），也可能是綠色（RGB: 0, 255, 0），單個呈現，隨機出現在屏幕上方的左側或者右側，視角為3°×3°。實驗中，要求被試用左手或者右手食指按壓鍵盤兩側的“Ctrl”鍵完成反應。

2.1.4 實驗程序

實驗采用小的組塊進行，在每個組塊中，先呈現顏色任務規則，持續時間為5秒，以便于被試能夠理解并記住，然后呈現試次。每個組塊由8個試次組成，兩種顏色規則在組塊間交替進行，見圖1。比例操縱與刺激–反應一致性進行隨機化處理。被試先完成練習，正確率達到80%后開始正式實驗。正式實驗共有768個試次，75/25條件和25/75條件各有384個試次，一致試次與不一致試的比例分別為3∶1和1∶3。在單個試次中，依次呈現注視點，反應標識和目標刺激，呈現時間分別為400毫秒、600毫秒和1500毫秒。實驗中，要求被試根據相應的規則又快又準地進行反應。

2.2 結果

2.2.1 反應時

先將錯誤反應和極端值剔除，剔除標準是超過平均數三個標準差，剔除數據不超過總數據的2%。然后對平均反應時進行2[比例水平：75/25（MC）、25/75（MI）]×2（任務規則：相同顏色、不同顏色）×2（刺激–反應一致性：一致、不一致）的重復測量方差分析（ANOVA）。

圖2 實驗1結果

三重交互效應顯著，F(1, 37)=6.05，p=0.019，簡單簡單效應檢驗結果表明，S-R一致性在不同顏色規則多數一致水平上差異不顯著，p=0.661，而在其他三種條件下差異均顯著，ps<0.01。隨后，為了比較不同條件下的Simon效應，先計算每種條件下不一致試次與一致試次的反應時差值（即Simon效應），然后進行交互效應檢驗。結果發現，比例水平與顏色任務規則間的交互作用顯著，見圖2c。進一步的簡單效應檢驗表明，在SC下，MC（75/25）與MI（25/75）下的Simon效應分別為76 ms和?32 ms，差異顯著，t(37)=7.27，p<0.001；而在AC下，MC（75/25）與MI（25/75）下的Simon效應分別4 ms和?66 ms，差異顯著，t(37)=4.84，p<0.001。

2.2.2 錯誤率

三重交互作用邊緣顯著，F(1, 37)=3.89，p=見圖2d。簡單簡單效應檢驗表明，S-R一致性在SC規則中75/25條件下和AC規則25/75條件下均顯著，ps<0.01，而在另外兩種條件下差異不顯著，p=0.210，p=0.640。相似地，錯誤率的Simon效應邊緣顯著，F(1, 37)=3.89，p=簡單效應檢驗發現，在SC下，MC（75/25）與MI（25/75）下的Simon效應分別為2.9%和?0.8%，差異顯著，t(37)=4.46，p<0.001；而AC下，MC與MI下的Simon效應分別為?0.4%和7.0%，差異也顯著，t(37)=3.69，p=0.001。

實驗1的結果表明，項目比例一致操縱調節了沖突效應，在相同顏色規則條件下，正的Simon效應發生反轉，而在不同顏色規則條件下，負的Simon效應消失。這一結果與前人的研究結果相似（夏天生, 譚玲, 2020; Cao, Cao, Yue, & Wang, 2017）。與當前研究的范式不同，以往研究分別采用了整體水平和情境特異性比例偏置操縱，而當前研究采用項目特異性比例偏置操縱。

3 實驗2：任務相關維度作為信號對ISPC效應的影響

采用與Bugg等（2011）相似的方式，以任務相關的刺激維度（即顏色）作為項目特異性比例操縱的信號，可能性水平（基于刺激顏色預測反應的可能性）在一致試次與不一致試次中均為100%。如果被試是基于S-R聯結學習來做出反應，因為當前設置不存在可能性水平的差異，那么將不會出現ISPC效應。但是基于認知控制理論，多數一致或多數不一致條件將引起不同的認知控制，因此根據注意調節理論預期仍會出現ISPC效應。

3.1 研究方法

3.1.1 被試

38名廣東工業大學的本科生（20.30±2.30歲）參加了本實驗，其中女性26名。被試均為右利手，視力或矯正視力正常。

3.1.2 實驗設計、設備、刺激與程序

采用三因素被試內設計，自變量、因變量、實驗設備、刺激及實驗程序與實驗1相似。不同之處在于，實驗1中ISPC偏置的信號是刺激位置，而在實驗2中，ISPC偏置的信號是刺激顏色，即在紅色刺激時為多數一致條件，而在綠色刺激時為多數不一致條件，刺激顏色與ISPC偏置在被試間進行平衡。

3.2 結果

3.2.1 反應時

采用與實驗1相同的方法剔除錯誤反應和極端值，剔除數據不超過總數據的2%，然后對平均反應時進行重復測量方差分析。結果顯示，任務規則主效應顯著，F(1, 37)=159.99，p<0.001，見圖3a，表明了反應時在相同顏色規則（501 ms）下顯著快于不同顏色規則（590 ms）。其他主效應均不顯著，ps>0.05。任務規則與刺激–反應一致性交互作用顯著，F(1, 37)=73.11，簡單效應檢驗發現，在SC下，一致條件的反應時（484 ms）快于不一致條件（517 ms），t(37)=?6.98，p<0.001；而在AC下，一致條件下的反應時（611 ms）顯著慢于不一致條件（568 ms），t(37)=6.47，p<0.001。比例水平與刺激–反應一致性的交互作用不顯著，p>0.05，而比例水平與顏色任務規則間的交互作用顯著，F(1, 37)=5.54，

圖3 實驗2結果

三重交互效應不顯著，F(1, 37)=0.01，p=0.910。隨后，計算每個條件下的Simon效應并進行交互效應檢驗，見圖3c。結果發現，在兩種顏色規則下，不同條件產生的Simon效應均不顯著，|t|s<1。這表明，當前實驗中未發現ISPC效應。

3.2.2 錯誤率

實驗2結果表明，所有條件下的Simon效應都沒有受到比例偏置操縱的影響，未發現ISPC效應，符合S-R聯結學習假說的預期。

4 討論

當前研究采用ISPC操縱結合H&M任務，得到了一些有意義的結果。當任務無關維度（即空間位置）作為ISPC的信號時，與多數一致條件相比，多數不一致條件下相同顏色規則中正的Simon效應被反轉了，而不同顏色規則下負的Simon效應消失了。但是，當任務相關維度（即顏色）作為ISPC的信號時，Simon效應沒有隨比例變化而改變，即ISPC效應沒有出現。這些結果支持了S-R聯結學習假設，表明了S-R聯結學習在項目特異性比例一致效應中起到主要作用。

4.1 ISPC效應與刺激–反應聯結學習

實驗1與最近兩項研究中的行為結果相一致（Cao et al., 2017; Xia et al., 2016），在他們的研究中，研究者采用了H&M任務結合整體的比例偏置操縱，得到了比例偏置引發沖突效應反轉的結果。當前研究探討了ISPC效應，當ISPC操縱以任務無關維度為信號時，沖突效應隨著比例偏置而產生了反轉。這些結果表明，被試可以基于不同的ISPC信號學習空間一致性或不一致的S-R聯結，并用這些習得的S-R聯結預測正確的反應。

沖突效應一般被歸因為任務無關的S-R聯結與任務相關的S-R聯結之間的沖突，例如，在Simon任務中，個體會自動激活與身體同側的反應，這種長期經驗形成的優勢反應是與任務無關的，而根據任務要求，對兩種顏色分別采用不同位置的按鍵做反應，形成任務相關S-R聯結。在一致試次中，自動激活的反應與任務要求的反應相同，個體可以順利地輸出反應，但在不一致試次中，兩者激活的反應不同，因此在反應選擇階段產生了沖突。認知控制系統通過監測沖突并實施控制，調節任務相關或無關維度的注意分配。在比例一致效應中，認知控制的理論采用相似的沖突監測–執行控制機制來調節注意資源，從而很好地解釋了比例一致效應。然而，注意調節理論無法解釋沖突效應隨ISPC操縱而反轉的現象，但是S-R聯結學習假說認為個體根據任務無關維度與正確反應之間的可能性來預測反應，這就很好地解釋了沖突效應反轉的現象（Schmidt & Besner,2008）。此外，實驗2以任務相關維度作為ISPC操縱的信號，發現沖突效應沒有受到比例偏置操縱的影響，沒有產生ISPC效應，這一結果支持了刺激–反應聯結學習的假說。

4.2 ISPC效應與注意調節解釋

雖然當前研究支持了S-R聯結學習假說，但并沒有完全排除認知控制在ISPC效應中起作用的可能性。有研究者采用遷移范式將比例偏置（刺激）項目中獲得的ISPC效應遷移到比例未偏置的（刺激）項目上，這就意味著即使在ISPC效應中，基于整體的認知控制或注意調節依然是存在的（Bugg & Chanani, 2011）。此外，Bugg和Hutchison（2013）發現，在ISPC效應中，當刺激為2個項目時，刺激–反應聯結學習可以很好地解釋ISPC效應，但當刺激為4個項目時，認知控制的解釋更具有說服力。這是因為，在2個項目的實驗設計中，刺激無關維度與正確反應之間存在著高可能性，被試易通過無意識學習建立刺激無關維度與反應間的聯結，并基于這種聯結預期正確反應；但在4個項目的實驗設計中，被試難以習得這種S-R聯結。當前研究的實驗設計采用2個項目的形式，未來的研究將進一步采用4個項目設計來檢驗S-R聯結學習在比例一致效應中的作用。

此外，有研究者認為，認知控制系統可能會通過任務相關維度刺激加工的增強和任務無關維度刺激加工的抑制來解決任務中的沖突（李政漢,楊國春, 南威治, 李琦, 劉勛, 2018; Verguts &Notebaert, 2008）。理論上，基于沖突去調節所有認知節點的強度是有可能的，這種調節不僅包括自上而下的任務要求的刺激單元，也包括S-R之間的節點（Blais & Verguts, 2012; Verguts & Notebaert,2008）。這些研究提示未來的研究可以設計更有效的范式，并采用認知神經科學的方法進一步區分和確認聯結學習與認知控制在PC效應中的作用。

5 結論

當前研究結合H&M任務和項目特異性比例偏置操縱，分別以任務無關和有關的刺激維度作為ISPC偏置的信號，發現在刺激–反應編碼具有顯著性優勢的條件下，當空間位置作為ISPC偏置的信號時，相同顏色規則下，不一致試次為多數引起正的Simon效應產生反轉，而在不同顏色規則下，一致試次為多數使得負的Simon效應減弱至不顯著；當顏色作為項目特異性比例偏置的信號時，ISPC效應沒有出現。這一結果說明了被試能夠在比例偏置的實驗中建立任務無關維度的S-R聯結，并基于這種習得的聯結去預期正確的反應，從而支持了S-R聯結在ISPC效應中起主要作用的假設，符合顯著性編碼假說的預期。