西南大学心理学部团队在《Cerebral Cortex》发文揭示了时空干扰效应的神经机制

 

人类能够精确地处理空间和时间信息，但时空信息在大脑中的表征会相互影响，产生时空干扰效应。量值理论（A theory of magnitude）认为时空干扰效应源于时间与空间信息表征在量值系统中的整合，具体而言，在人的认知系统中存在一个普遍的量值系统，其中空间、时间和数量这些量值都是这个量值系统的重要组成部分；在信息加工的过程中，不同维度的量值信息输入大脑后经由量值系统转换为一个相同的量值形式，随后在大脑顶叶中进行处理，共享相同的认知加工机制；时间、空间和数量对应的量值能够整合在一起形成共同的量值表征。尚缺乏电生理证据证实存在共同的量值表征。

西南大学心理学部陈有国副教授时空认知课题组将 Kappa 效应任务与事件相关电位技术（ERP）相结合，探讨了时空干扰的神经基础。在实验中，两个小圆从中心向左或右视野依次闪现，两个圆之间的时间间隔随机选自0.8 秒和 1.2 秒，它们之间的空间距离随机选自0°、5.8°和 15.5°。要求参与者通过按空格键来复现小圆间的时间间隔（图1）。该研究关注由第二个白色圆形刺激消失诱发的 P2 和 P3b 成分，因为这些成分反映了本研究中时间与空间信息进入工作记忆后的表征更新。研究预测 P2 和 P3b 的振幅将随着两个小圆之间的时间间隔和空间距离而增加。

图1 实验流程图与行为结果

行为结果显示，被试的复现时间随着两个小圆之间的时间间隔和空间距离的增加而增加（图1B）。ERP分析结果显示，较长的时间间隔和较长的空间距离会诱发较大的顶叶P2和P3b波幅（图2）；P2和P3b的波幅与复现时间的长度显著正相关（图3）；由主成分分析（PCA）和偶极子定位确定相应的神经源位于顶叶皮质（图4）。时空认知课题组前期已根据贝叶斯定理构建了时空干扰效应的计算模型，并证明复现时间反映了时间信息和空间信息按照贝叶斯原则整合成为主观时间(Chen et al., 2016, 2021)。这些发现为时间与空间信息在工作记忆中整合成为共同的量值表征提供了电生理证据。

 

图 2 由第二个小圆结束（offset）诱发的顶叶区域ERP波形与P2-P3成分平均波幅

 

 

 

图 3 复现时间和顶叶区域P2-P3b波幅之间的相关。白色小圆 (或小正方形)代表实验处理（2个时间间隔×3个空间距离）。(A)一个典型被试的结果。(B)所有被试总体平均结果。

 

图4 时空信息量值表征更新诱发P2-P3b神经源的激活波形、地形图和定位

 

该研究的发现在量值研究领域具有重要的理论意义，从电生理的角度揭示了不同维度的量值表征整合成为共同量值表征的神经机制。同时该研究也可能成为时间知觉神经机制研究的一个转折点。以前的研究多以关联负变化（Contingent NegativVariation，CNV）为指标，考察时间信息编码阶段的神经机制。本研究则提示P2和P3成分能够反映时间信息的主观长度，以后可以进一步采用P2和P3指标，研究工作记忆中的时间信息表征的神经机制。

该研究“Electrophysiological evidence for a common magnitude representation of spatiotemporal information in working memory”已于2021年11月18日被国际著名神经科学期刊《Cerebral Cortex》（中科院SCI一区）正式接收。西南大学心理学部硕士研究生崔明慧为论文的第一作者，陈有国为通讯作者。该研究得到了教育部人文社会科学一般项目、重庆市社会科学规划项目等基金的资助。

 

参考文献

Cui, M. H., Peng, C. H., Huang, M., Chen, Y. G. (2021). Electrophysiological evidence for a common magnitude representation of spatiotemporal information in working memory. Cerebral Cortex. https://doi.org/10.1093/cercor/bhab466

Chen, Y. G., Peng, C. H., & Avitt, A. (2021). A unifying Bayesian framework accounting for spatiotemporal interferences with a deceleration tendency. Vision Research, 187, 66–74. https://doi.org/10.1016/j.visres.2021.06.005

Chen, Y. G., Zhang, B. W., & Kording, K. P. (2016). Speed constancy or only slowness: What drives the Kappa effect. PLoS ONE, 11(4), e0154013. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0154013

 

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