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        心理所研究揭示層級節律背景重構動態視覺注意分配
        作者: 腦與認知科學國家重點實驗室 蔣毅研究組 ║ 日期: 2021/06/08 

          在瞬息萬變的大千世界之中,實時獲取個體感興趣的信息是一項重要卻又極具挑戰性的任務。為應對這一挑戰,人類大腦進化出了選擇性注意的機制,即將有限的注意資源聚焦在那些任務相關的空間或時間點上,而忽略其他無關的信息。在時間維度,展現選擇性注意 “聚光燈”效應的經典現象之一,是人們在聽到一系列有節律的聲音之后,能夠有效利用節律信息中包含的時間規律來構建對未來事件的預期,從而將注意引導至所預期的時間點上,增強對這些時間點上出現的刺激的知覺敏感性?;谏鲜霭l現,研究者提出了“動態注意理論”(Dynamic Attending Theory, DAT),將時間注意視作一種可以與外界信息同步的內在節律。該理論也得到了神經證據的支持,研究者發現神經元活動的興奮性會與節律性刺激的發放同步變化,從而實現指向特定時間點的注意選擇。

          雖然基于時間規律的注意選擇策略有助于人們提取可預期的時間點上的信息,然而,在處理連續變化的動態信息流時,人們不僅需要將注意聚焦到某些特定的時間點,還需要在眾多時間點上優化對注意資源的組織和分配。那么這一過程又是如何實現的呢?為回答該問題,腦與認知科學國家重點實驗室蔣毅研究組的科研人員借助行為與腦電技術開展了以下研究。

          研究者采用注意瞬脫(attentional blink, AB)效應作為衡量視覺時間注意的指標。注意瞬脫是指當快速呈現一系列有節律的視覺刺激,其中包含兩個目標刺激(T1和T2),觀察者往往會在正確識別T1之后的數百毫秒內,難以意識到T2的存在(圖1)。該過程反映了視覺注意和意識的動態特性及其時間局限性。有意思的是,雖然這里的視覺刺激序列本身具有一定的節律,可以誘發基于時間的注意選擇,但仍然無法避免因T1和T2間的注意資源競爭而導致的AB現象。

         

        圖1. 注意瞬脫現象示例

        以上快速呈現的數字中包含了兩個字母目標,兩個目標間隔200 ms

         

          為了改變時間注意在T1和T2間的分配模式,研究者在注意瞬脫范式中引入了具有雙重時間層級結構的背景節律信息。具體而言,背景刺激的呈現與注意瞬脫刺激序列同步,由此產生了基于時間規律的一階時間結構(100毫秒/周期,10 Hz,alpha頻段),但其物理屬性(如音調)以較慢的速率發生周期性變化,從而形成了基于刺激內容(特征)規律的二階時間結構(400毫秒/周期,2.5 Hz,delta頻段)。

          研究者首先以包含層級結構的聽覺刺激為背景(圖2A),系統考察了其對視覺注意資源動態分配的影響。實驗發現,相比于將兩個目標刺激置于同一個二階時間結構周期內的條件,將二者置于不同的結構周期可以顯著削弱AB效應,即提高T2的識別準確率(圖2B),說明基于背景特征變化規律的時間結構重構了注意資源的動態分配。后續實驗表明,上述注意調節效應依賴于背景序列特征變化的規律性,而非目標刺激與背景特征之間簡單的對應關系(圖2C)。此外,該效應還可以拓展到不同的二階周期頻率(2 Hz和3.3 Hz),且無法僅由知覺組織現象解釋。

         

         

        2. 聽覺節律背景實驗的刺激示例與結果

         

          研究者進而發現,二階背景節律信息對視覺注意的動態調控具有自動化、一般性的特點:與任務無關、來自多個感覺通道、由不同特征變化產生的節律背景信息,包括聽覺(音調)、視覺(顏色、運動)背景,均可以有效調節視覺注意的動態分配(圖3)?;谶\動背景節律的實驗還同時證明,以上注意調節效應并非由刺激特征周期性變化所形成的知覺邊界造成。

         

        3. 視覺節律背景實驗的刺激示例與結果

         

          通過記錄被試的腦電活動,該研究進一步揭示大腦以神經振蕩-外界節律同步化的方式自動編碼了背景節律中的多層級時間結構信息,具體表現為一階和二階時間結構分別對應的delta及alpha頻段上的神經振蕩能量均有顯著的增強(圖4)。更重要的是,二階時間結構所引發的delta神經振蕩同步化程度與個體行為效應呈顯著的正相關,與T2加工相關的10 Hz alpha能量亦受到二階時間結構的調節,同時兩個頻段之間的跨頻段耦合強度可以有效預測行為水平注意調控效應的個體差異。

         

          

        4. 神經振蕩-外界節律同步化編碼時間層級結構及其與行為的關聯性

         

          綜上,該研究表明人類不僅可以提取動態信息中的一階時間結構規律,還可以自動化地利用基于刺激特征變化的二階時間結構規律,在多重時間尺度上調控和組織注意資源的動態分配,同時強調了多層級的神經振蕩-外界節律同步化效應在上述過程中所起的關鍵作用。以上發現從行為和神經層面拓展了時間注意領域經典的動態注意理論,并有助于理解人類如何在動態環境中,自發提取外界信息的復雜時間結構,優化實時信息加工的認知過程及其神經機制。

          該研究獲得國家自然科學基金、中國科學院先導專項、前沿科學重點研究項目、中科院青年創新促進會、北京市科委、深港腦科院等的支持。

          相關成果已在線發表于eLife。袁佩君為論文第一作者,王瑩與蔣毅為共同通訊作者。

         

          論文信息:

          Yuan, P., Hu, R., Zhang, X., Wang, Y., & Jiang, Y. (2021). Cortical entrainment to hierarchical contextual rhythms recomposes dynamic attending in visual perception. eLife, 10, e65118. https://doi.org/10.7554/eLife.65118

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