现实场景典型空间位置关系客体的解码效应

陈相霖 张军恒 晏碧华

(陕西师范大学心理学院暨陕西省行为与认知神经科学重点实验室，西安 710062)

视觉工作记忆（visual working memory,VWM）是一个容量有限且能对信息进行暂时保持和加工的工作记忆子系统。容量有限性是视觉工作记忆的核心特征，而知觉分组可以促进对简单刺激的记忆。Li 等（2018）的元分析结果发现，知觉分组对视觉工作记忆具有稳固的促进作用，其程度受刺激特征、刺激排列方式等因素调节。除了知觉分组，当视觉刺激呈现具有一定规律和可预测性时，它们可以被分组为更大的单一整体表征，进而提高工作记忆容量（Brady & Tenenbaum,2013）。Huang 和Awh（2018）发现，固定配对出现的色块和字母的工作记忆要显著好于其随机搭配时，证明了规律呈现的刺激会被作为一个整体进行加工。

现实场景中，大量复杂物体通常出现在常规的、可预测的位置，例如客厅茶几上的茶杯和茶壶，厨房炉灶上的锅和锅铲。有些客体在空间位置上具有特定规律，例如台灯总是位于桌子上方，锅总是位于灶台上方。这些现实规律促成了更有效的信息处理（Bar, 2004）。通常当客体以常规空间位置关系呈现时，客体识别的速度更快，准确性更高（Green & Hummel, 2006; Roberts &Humphreys, 2010）。Kaiser 等（2014）发现当成对客体根据日常空间位置关系定位时，客体间的注意竞争在行为和神经水平上都有所降低，说明符合空间位置关系的客体可以通过形成分组减少竞争。Kaiser 等（2015）采用变化探测任务发现，当客体对根据现实空间位置关系呈现时，工作记忆显著好于以违反空间位置关系的形式呈现时，这是因为符合空间位置关系的客体对被分组形成了一个更大的表征单元。

此外，研究表明客体间的动作关系会促进客体识别和视觉工作记忆表现。例如，Riddoch 等（2003）发现注意缺陷患者更易识别有动作关系的客体，例如开瓶器朝向酒瓶盖，这是一种功能联结。进一步，O’Donnell 等（2018）发现客体间动作关系能够通过引起客体分组来增加工作记忆容量。同时，在一对具有动作关系的客体中存在着对主动客体的加工偏好（Roberts & Humphreys, 2010）。

解码效应指的是易于或已经形成分组的单个客体的信息无法在工作记忆中被迅速获取，必须经过检索才能被单独表征，检索耗费时间导致反应变慢（Huang & Awh, 2018）。在无意义刺激的分组解码研究中，Huang 和Awh 发现组块中的单个客体从集合中解码需要耗费额外的检索时间，且单个客体的加工存在顺序效应，即对组块中上部色块与左侧字母反应更快。该研究使用的是简单无意义刺激，其统计规律是人为操纵产生的。本研究拟考察现实场景典型空间位置关系分组中单个客体的提取特征。现实场景的空间关系是存在于长时记忆中的更为普遍和稳定的常识性规律，其分组联结强度较高，那么，空间关系客体对中，单个客体的检索是否会受到分组的影响而需要额外的反应时？以往基于现实场景的研究关注分组的整体表征，例如Kaiser 等（2015）的变化探测任务实验。因此，有必要考察分组中单个客体的工作记忆表现，且需对不同客体的记忆效果进行对比以区分不同客体的作用。一方面，如果发现现实空间分组中单个客体的提取变得困难，反过来可以再次证实基于现实场景空间位置关系的分组原则；
另一方面，可以发现现实场景空间分组中单个客体的解码特征差异和检索的顺序特征。

此外，已有研究证实视觉空间编码广泛作用于多个脑区，包括海马体（Silson et al., 2021），海马体被认为与情景记忆、导航、非自我中心的空间参照系统有关，视觉空间编码的跨区化促进了不同脑区的交互，有助于信息的处理整合。Olivers 和Roelfsema（2020）的观点是：注意反映了视觉工作记忆中感觉和动作表征的耦合，认知的目的是指导行动，感觉和记忆系统会映射到动作和行为上，反之，获益的行动也必然会强化相应的感觉和记忆表征。注意会基于以往行动反馈有选择性地增强感觉和记忆表征，并使其指导行为。但动作的引入是否会影响视觉空间编码？这是以往研究没有讨论过的。

综上，现实场景中具有典型空间位置关系的复杂客体对的单独表征具有怎样的特点和加工机制，空间位置关系和动作关系的共同作用会给客体单独表征带来的影响尚不明确。而视觉空间信息在大脑区域具有普遍关联性，现实中客体间往往存在多种关系（例如茶壶和杯子既有空间位置关系也有动作关系），因此有必要结合现实，考虑复杂情况，细化问题。

据此，本研究设计了四个实验：实验1a 考察典型空间位置关系分组中单个客体的视觉工作记忆；
实验1b 在实验1a 基础上设置截止反应时，若实验1a 发现了单个客体的解码特征，那么设置截止反应时后被试将没有足够时间对组块进行“解码”，则空间位置关系带来的记忆优势将被削弱甚至消失（Huang & Awh, 2018）；
实验2a 在实验1a 范式基础上选取了兼具动作与空间关系的现实客体，考察单个客体提取特征及是否存在对主动客体的加工偏好；
实验2b 在实验2a 基础上设置截止反应时间，验证解码效应的存在。本研究提出以下假设：（1）当现实场景客体对以符合空间位置关系的方式呈现时，单个客体的视觉工作记忆表现要显著好于违反空间位置关系时；
（2）符合空间位置关系条件下单个客体的检索时间更长，即存在解码效应，且存在检索顺序效应；
（3）对兼具空间位置关系与动作关系的客体分组中的主动客体存在加工偏好。

本研究选取的现实场景典型空间关系客体对是基于上下位置关系，分为两类：仅具有典型空间关系、兼具典型空间关系与动作关系。实验1 采用仅具有典型空间关系的实验材料，包括台灯-桌子、水龙头-水池等12 类；
实验2 采用兼具典型空间关系与动作关系的实验材料，包括茶壶朝向茶杯、锅铲朝向锅等12 类。对所有材料进行现实场景性和动作关系评价，24个本科生和研究生参与了材料评估，问题分别是“请您认真阅读题目，对图中物体的现实场景性进行评级。现实场景性：图中物体成对出现在现实生活场景中的合理性。”“请您认真阅读题目，判断物体间动作关系的强弱。动作关系：两物体具有主被动关系，一个主动发出动作，一个被动接受动作。”评价量表采用由弱到强的5 点计分。对现实场景性评分（M=4.41,SD=0.49）进行单样本t检验，检验值为3，结果差异显著，t(23)=14.13，p＜0.001，d=9.03，说明材料有较高的现实场景性。对具有典型空间关系（M=1.73,SD=0.56）和兼具典型空间关系与动作关系（M=4.38,SD=0.47）客体对的动作关系评分做配对样本t检验，t(23)=13.66，p＜0.001，d=2.79，说明两种实验材料在动作关系上差异显著。

2.1 研究方法

2.1.1 被试

实验前通过G*Power 检验进行样本量估算，α=0.05，1-β=0.80，效应量参考前人有关视觉工作记忆客体分组的研究（O’Donnell et al., 2018）取f=0.3，算出实验需17名被试。通过校园平台发布实验信息，共招募23名大学生被试，女生15人，男生8人，平均年龄为18.22±0.66 岁。所有被试裸眼或矫正视力正常，无色盲或色弱，实验后均给予一定报酬。

2.1.2 实验仪器和材料

使用E-Prime2.0 编写实验程序。实验材料在19 英寸的计算机显示器上呈现，屏幕分辨率为1280×1024 像素，刷新率为60 Hz。

参考前人实验（Gronau & Shachar, 2014; Kaiser et al., 2015）选取192 张图片，大小为200×200 像素，视角为4.58°，均为灰度图，刺激序列的3 张图片中心点呈三角形分布，图像中心像素位置分别为（640, 256）、（384, 717）、（896, 717）。客体对中两物体间存在空间距离，确保刺激物彼此不能在感知因素（物理支持或连续性）基础上形成分组。

本实验以现实场景中仅具空间位置关系的12个客体对为研究对象，12个客体对共包含24个不同类别的客体。每个类别含有两个样例，如台灯（a）和桌子（b）作为一对现实场景中具有空间位置关系的客体，分别具有两个特征不同的样例：台灯（a1、a2），桌子（b1、b2），正交形成4 种不同组合（a1b1、a1b2、a2b1、a2b2），共48个不同的客体对，见图1。

图1 客体对示例

2.1.3 实验设计

采用2（刺激呈现方式：符合空间位置关系、违反空间位置关系）×2（探测刺激位置：上、下）被试内设计。自变量为刺激呈现方式和探测刺激位置。刺激呈现方式指客体对的位置关系是否与现实场景空间规律相一致，如台灯位于桌子上方是符合关系，台灯位于桌子下方是违反关系。探测刺激位置指探测位于上方还是下方的客体，见图2。探测刺激位置与刺激呈现方式正交，可考察各条件下单个客体视觉工作记忆表现，探讨空间中原本位于上方的客体是否具有记忆优势等问题。因变量为正确率和反应时。

图2 刺激呈现方式及探测刺激位置

2.1.4 实验程序

由于Kaiser 等（2015）的变化探测任务是基于客体对的整体表征，为了精准探讨客体对中单个客体的提取特征，本实验采用两项迫选（twoalternative forced-choice, 2AFC）任务（Schurgin &Flombaum, 2018），迫选任务更符合标准的信号检测定义，即错误会在先前看到的对象无法唤起比干扰物更强的记忆时出现。单一试次流程见图3。

图3 实验1a 单一试次流程图

每个试次开始时，屏幕中心呈现一个注视点1000 ms，然后呈现序列刺激4000 ms，刺激界面含有3个客体对，从12 类客体对中随机选择，但同一刺激序列中的客体对不能属于同一类别（如不能同时出现a1b1、a1b2）。客体对随机分配到屏幕上的3个位置，呈三角形排列，同一刺激序列的客体对都符合或违反空间规律。之后空屏1000 ms，接着呈现探测刺激，探测刺激为序列刺激中单个客体的两个样例（如台灯1 和2、桌子1 和2）。被试需判断哪一个之前出现过，选择左边物体则左手食指按“F”键，选择右边物体则右手食指按“J”键。“F”和“J”为正确键的概率均为50%。不限制反应时间，直到被试反应进入下一试次。

正式实验前有12个练习试次，正式实验共192试次，中间设置一次休息。4 种实验条件各48 试次，保证每个不同的客体对都有一次被作为目标探测。

2.2 结果

2.2.1 正确率

正确率见图4。方差分析显示，刺激呈现方式主效应显著，F(1, 22)=13.87，p＜0.001，=0.39，符合空间位置关系时正确率更高，空间位置关系分组提升了工作记忆表现。探测刺激位置主效应不显著，F(1, 22)=1.33，p＞0.05。刺激呈现方式与探测刺激位置交互作用显著，F(1, 22)=5.68，p＜0.05，η2p=0.21，简单效应分析发现，符合空间位置关系时上方客体记忆正确率显著高于下方，F(1,22)=8.68，p＜0.01，=0.28，违反空间位置关系时上、下方客体记忆正确率没有显著差异，F(1,22)=0.69，p＞0.05，符合空间位置关系时上方客体记忆表现更好。

图4 实验1a 正确率和反应时

2.2.2 反应时

反应时见图4。本研究均剔除反应错误试次及正负三个标准差之外的极端数据。方差分析显示，刺激呈现方式主效应显著，F(1, 22)=8.97，p＜0.01，η2p=0.29，符合条件下反应时更长，解码耗费了额外时间。探测刺激位置主效应显著，F(1,22)=5.07，p＜0.05，η2p=0.19。刺激呈现方式与探测刺激位置交互作用边缘显著，F(1, 22)=3.46，p=0.076，=0.14，简单效应分析显示，符合条件下，上方客体反应时更短，F(1, 22)=6.66，p＜0.05，=0.23，检索可能存在从上到下的顺序效应。违反条件下，上、下方客体反应时没有差异，F(1,22)=0.01，p＞0.05。

2.3 讨论

实验1a 显示，符合空间位置关系时单个客体记忆正确率显著高于违反时，支持假设1，且上方客体记忆正确率显著高于下方。反应时上，符合条件下反应时显著长于违反条件，验证了解码效应，且上方客体反应时显著短于下方，验证了顺序效应，支持了假设2。

3.1 研究方法

通过校园平台招募25名大学生被试，女生14人，男生11人，年龄18.80±1.30 岁。根据O’Donnell等（2018）截止反应时的设置规律，考虑到实验1a 不限制反应时间时存在2000 ms 以上的情况，将截止反应时设为2000 ms，规定被试在2000 ms 内反应。除截止反应时外其他均同实验1a。

3.2 结果

3.2.1 正确率

正确率见图5。方差分析发现，刺激呈现方式主效应不显著，F(1, 24)=0.01，p＞0.05，空间位置分组带来的记忆优势消失。探测刺激位置主效应不显著，F(1, 24)=1.12，p＞0.05。刺激呈现方式与探测刺激位置交互作用显著，F(1, 24)=15.17，p＜0.001，=0.39，简单效应分析显示，符合空间位置关系时上方客体记忆正确率更高，F(1, 24)=13.95，p＜0.001，=0.37，违反空间位置关系时下方客体记忆正确率更高，F(1, 24)=4.53，p＜0.05，=0.16，即现实中本应位于上方的客体记忆表现更好。

3.2.2 反应时

反应时见图5。方差分析发现，刺激呈现方式主效应不显著，F(1, 24)=3.25，p＞0.05，探测刺激位置主效应不显著，F(1, 24)=0.74，p＞0.05。刺激呈现方式与探测刺激位置交互作用显著，F(1,24)=7.44，p＜0.05，=0.24，进行简单效应分析，符合条件下，上方客体反应时更短，F(1, 24)=8.88，p＜0.01，=0.27，检索存在顺序效应，违反条件下，上、下方客体反应时没有显著差异，F(1, 24)=2.05，p＞0.05。

图5 实验1b 正确率和反应时

3.3 讨论

与实验1a 不同，实验1b 中空间规律分组带来的工作记忆优势消失，时间压力下不论刺激以符合还是违反的方式呈现，现实中本应位于上方的客体的记忆都更好。本实验结果均支持假设2。另外，Huang 和Awh（2018）采用无意义材料的实验在截止反应时条件下检索的顺序效应被削弱，而本实验依然存在顺序效应，这可能是由于研究对象不同，现实中位于上方的客体依然获得了更多加工资源。

4.1 研究方法

通过校园平台招募23名大学生被试，女生17人，男生6人，平均年龄为18.61±1.13 岁。实验材料为兼具空间位置关系和动作关系的物体图片，其他均与实验1a 相同。

4.2 结果

4.2.1 正确率

正确率见图6。方差分析显示，刺激呈现方式主效应显著，F(1, 22)=7.90，p＜0.01，=0.26，符合条件高于违反条件，空间位置关系分组提升了工作记忆表现。探测刺激位置主效应不显著，F(1,22)=0.13，p＞0.05。刺激呈现方式与探测刺激位置交互作用显著，F(1, 22)=8.56，p＜0.01，=0.32，简单效应分析发现，符合条件下，上方客体记忆正确率更高，F(1, 22)=4.81，p＜0.05，=0.18，违反条件下，下方客体记忆正确率更高，F(1, 22)=4.60，p＜0.05，η2p=0.17，即主动客体记忆正确率都更高。

4.2.2 反应时

反应时见图6。方差分析发现，刺激呈现方式主效应显著，F(1, 22)=8.29，p＜0.01，=0.27，符合条件下反应时更长，解码需要额外时间。探测刺激位置主效应不显著，F(1, 22)=2.22，p＞0.05。刺激呈现方式与探测刺激位置交互作用显著，F(1,22)=8.49，p＜0.01，=0.28，进行简单效应分析，符合条件下，上方客体反应时更短，F(1, 22)=4.60，p＜0.05，=0.17，可能存在顺序效应。违反条件下，上、下方客体反应时没有显著差异，F(1, 22)=0.02，p＞0.05。

图6 实验2a 正确率和反应时

4.3 讨论

正确率上，实验结果符合假设1，重点是与实验1a 不同，本实验违反空间位置关系时下方客体记忆正确率显著高于上方，这是客体对动作关系导致的，验证了假设3。反应时上验证了顺序效应。

5.1 研究方法

通过校园平台招募25名大学生被试，女生17人，男生8人，平均年龄为18.36±0.69 岁。规定被试在2000 ms 内反应，其他均同实验2a。

5.2 结果

5.2.1 正确率

正确率见图7。方差分析发现，刺激呈现方式主效应不显著，F(1, 24)=0.09，p＞0.05，空间位置关系分组带来的记忆优势消失。探测刺激位置主效应不显著，F(1, 24)=0.64，p＞0.05，刺激呈现方式与探测刺激位置的交互作用显著，F(1, 24)=19.83，p＜0.001，=0.45。简单效应分析显示，符合条件下，上方客体记忆正确率显著高于下方，F(1, 24)=5.02，p＜0.05，=0.17；
违反条件下，下方客体记忆正确率显著高于上方，F(1, 24)=13.29，p＜0.001，η2p=0.36，主动客体记忆正确率更高。

图7 实验2b 正确率和反应时

5.2.2 反应时

反应时见图7。方差分析发现，刺激呈现方式主效应不显著，F(1, 24)=2.07，p＞0.05，探测刺激位置主效应不显著，F(1, 24)=0.02，p=0.880，刺激呈现方式与探测刺激位置交互作用不显著，F(1,24)=0.08，p＞0.05，顺序效应消失。

5.3 讨论

实验结果进一步验证了解码效应，解码现象和顺序效应消失说明反应时会对检索效果产生影响。与实验2a 一样，不论在何种条件下主动客体记忆正确率都更高，呈现绝对记忆优势。时间压力下，假设3 依然成立。

6.1 现实场景典型空间位置关系客体的分组效应

实验1a、2a 发现单个客体的工作记忆表现同样支持现实场景客体的空间分组效应。本研究通过呈现符合或违反现实场景空间位置关系，探索单个客体的工作记忆提取加工来考察分组效应。基于总体正确率，实验1a、2a 均发现当客体对符合现实场景空间位置关系分组时，单个客体正确率显著高于违反空间位置关系条件，支持了空间规律分组加工。实验1b、2b 发现截止反应时条件下，由于被试没有足够时间对客体组块进行解码，空间规律分组带来的记忆优势消失。可见，现实场景中的客体空间分组可以促进客体记忆提取，知觉分组对视觉工作记忆表现具有稳固的促进作用。这是因为空间位置关系分组可能通过形成更大的表征单元优化了资源分配，进而提高了视觉记忆表现。Kaiser 等（2015）的研究是通过考察客体对的整体表征发现现实场景典型空间位置关系的分组效应，本研究则是通过单个客体的工作记忆表现同样发现了这一效应。

6.2 典型空间关系中单个客体记忆提取的解码效应与顺序效应

Kaiser 等（2015）的研究针对的是整体表征，单个客体的记忆表现是否存在差异却不得而知，本研究做了进一步探讨。反应时上，实验1a、2a 发现当刺激以符合空间位置关系的方式呈现，反应时显著长于违反条件，这与Huang 和Awh（2018）使用简单无意义刺激时发现的解码效应一致，验证了这一机制同样存在于现实场景复杂客体的加工中。值得一提的是，本研究对同一实验条件下的平均反应时间和正确率进行相关分析，没有发现显著正相关，说明不存在反应速度-准确性权衡现象。并且，实验要求被试又快又好地进行反应，符合空间位置关系条件下正确率较高而反应时较长，是客体对中单个客体的解码效应造成的。截止反应时条件下，基于空间分组带来的工作记忆优势消失，进一步支持了解码效应的假设。

实验1a、2a 均发现符合空间位置关系条件下，上方客体反应时显著短于下方，存在检索的顺序效应，与Huang 和Awh（2018）采用无意义刺激的发现一致，但其并未对上、下客体的正确率进行研究分析。本研究结果显示与下方客体相比，上方客体不仅可能被优先检索（顺序效应），还表现出更大的视觉工作记忆优势（正确率更高）。且在违反空间位置关系条件下，本应位于上方的客体依然获得了更多的加工资源，说明现实场景空间关系客体组合中的不同客体在记忆中的效用程度是不同的。但与Huang 和Awh 设置截止反应时条件下顺序效应消失的结果不同，实验1b 中依然存在顺序效应，这可能是由于研究对象不同。简单无意义刺激的统计规律是人为操纵产生的，当操纵改变，规律也随之消失，而现实场景空间规律是一种存在于长时记忆中的更为普遍和稳定的常识性规律，因此即便遭受时间压力，检索依然会按照既定顺序进行。

6.3 动作关系对典型空间关系中单个客体记忆提取的影响

与实验1a 不同，实验2a 采用了兼具现实空间关系和动作关系的客体对，发现不论刺激如何呈现，上方主动客体的记忆表现都更好，这可能是对主动客体的加工偏好导致的。根据实验1a、1b 的正确率结果，限制反应时条件下不论刺激如何呈现，现实场景中本应位于上方的客体记忆准确率都更高，表明时间压力下可能会产生对本应位于上方的客体的加工偏好。而在实验2a 中即便没有时间压力，现实中本应位于上方的主动客体的记忆正确率也更高。实验2b 中，现实场景中本应位于上方的客体无论被放在上方还是下方，其正确率都更高，说明对主动客体的加工偏好不受时间压力制约。

Roberts 等（2010）发现激活动作关系可以增强知觉加工，动作关系可能通过影响注意分配来影响视觉加工。物体的动作潜能会激活具有动作关系的成对物体的识别单元并引导注意的反馈。此外，视觉工作记忆的“灵活资源理论”强调编码和存储视觉信息的灵活性，资源的分配不仅由客体数量决定，还受到客体的意义/功能关系、典型空间结构、社交绑定等的影响（Kaiser et al.,2015; O’Donnel et al., 2018; Vestner et al., 2019）。视觉空间记忆可能直接根植于眼动神经系统，观察者倾向于将眼球移动到记忆中的位置并影响到注意分配（van Ede et al., 2019）。本研究中主动客体的加工特征也证明了这一点，客体间的意义/功能关系表征有利于调节注意分配和提高识别物体的速度，动作关系客体间的潜在行为可以作为行动提示，并可能影响手动响应及注意分布，使主动客体表现出独特性。这使得现实中的主动客体无论位于上方还是下方位置均表现出提取优势，说明客体动作主动性这种意义特征可能比位置更优先得到检索。

Groen 等（2022）提出视觉空间编码为认知提供了一个参考框架，在这个框架中，感知-动作回路与环境统计数据以及任务需求进行交互，实现了神经计算。视觉空间编码的普遍性表明，大脑将其作为参照系来构建对环境统计数据和任务需求的认知。未来应继续研究视觉空间信息如何与其他感知参照系相互作用，以及它如何将感知与记忆等相联系。本研究为进一步探索空间位置关系与长时记忆、动作关系之间的联系提供了一定参考。从现实角度而言，视觉空间编码与空间参照系统密切相关，对认知地图，导航研究，特殊职业人员（侦察兵、飞行员等）训练等具有一定指导意义。

现实场景客体空间分组中单个客体提取时存在解码现象和顺序效应，对现实中的上方与主动客体存在加工偏好。

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