基于眼動和腦電的心理旋轉認知機制研究.pdf

1、空間認知能力是人類最基本的認知能力之一，尤其在一些特殊的職業(yè)中，比如飛行員、航天員，以及近年受到廣泛關注的無人機領域?？臻g視覺化作為空間認知能力的一個維度，在這些特殊職業(yè)的人員選拔中具有重要作用。心理旋轉測試是空間視覺化的經典研究范式，可有效預測和評價人的空間視覺能力。從上世紀70年代開始，Shepard等人開始對心理旋轉進行研究，隨著研究的不斷深入，人們越來越關注心理旋轉加工過程的高級認知功能。眼動追蹤和神經影像學技術的不斷發(fā)展，為心

2、理旋轉等認知過程的研究提供了更多手段，因此越來越多的研究人員將這些技術相結合，對心理旋轉等認知任務進行多角度、多維度綜合研究。
　　本研究首先建立眼動與腦電的同步平臺，評估了各同步方法的時間精度，并提出了同步平臺時鐘偏移的校準方法；考察了三維圖形心理旋轉加工的影響因素，分析了各眼動指標與反應時和各影響因素的相關性，初步揭示了心理旋轉的加工過程；使用眼動和腦電的同步技術進一步探究心理旋轉的認知過程和腦機制；通過數據驅動模型的方式對不

3、同的心理旋轉策略進行預測，并揭示了三維圖形心理旋轉所包含的加工過程和狀態(tài)。本文的主要研究內容、研究結果和研究結論如下：
　　(1)眼動與腦電同步平臺的建立及其時間精度研究
　　建立眼動與腦電的同步平臺，根據所用儀器的自身特性實現了四種同步方法，評估各同步方法的時間精度。結果表明，Tobii眼動儀通過直接調用SDK開發(fā)包實現眼動和腦電同步的方法的時間精度最高，在累積時間誤差和周期時間誤差兩個水平上均能降低到10ms的量級，適用

4、于很多其他眼動與腦電的同步研究，同時提出了同步平臺時鐘偏移的校準方法供同行參考。
　　(2)心理旋轉認知加工的行為學和眼動特征研究
　　對Shepard三維圖形心理旋轉研究增加了像素水平，即三維圖形的平面投影面積這一影響因素，考察像素水平的高低對被試的心理旋轉加工的影響；除了對反應時和準確率等行為學指標進行統(tǒng)計分析外，還增加了對各眼動指標與不同影響因素和行為學指標的相關性分析，從一維眼動參數中初步獲得心理旋轉加工的特征和模式

5、。結果表明，心理旋轉的反應時與角度差呈顯著正相關，這與以往的研究結論一致；此外，對圍繞Z軸旋轉的圖形比圍繞X軸旋轉的圖形的加工的反應時更短，對相同圖形比鏡像圖形的加工的反應時更短，說明被試對圍繞Z軸旋轉的圖形和相同圖形的加工速度更快；此外還發(fā)現，像素水平越高，即平面投影面積越大，反應時越短，說明投影面積大、視角大的圖形的加工難度更低，被試的認知加工速度更快；此外，眼動參數中的注視次數、總注視時間、總眼跳時間與反應時有顯著相關性；通過對注

6、視點分布模式的分析，發(fā)現三維圖形存在一些關鍵區(qū)域，即上臂和下臂的拐角區(qū)域，該區(qū)域決定了三維圖形的關鍵性拓撲結構。
　　(3)心理旋轉認知加工的腦機制研究
　　使用眼動和腦電同步的注視點相關電位(eye-fixation related potential,EFRP)技術進一步探究心理旋轉的加工過程和策略，揭示三維圖形的不同興趣區(qū)在心理旋轉加工中的作用和重要性，同時結合眼動和EFRP指標，對同一因素下的結果進行驗證和比較，分析

7、其內在的加工過程，從電生理的角度揭示心理旋轉加工的模式及其腦機制。結果發(fā)現，在關鍵興趣區(qū)和一般興趣區(qū)的比較中，平均注視持續(xù)時間并未發(fā)現顯著差異，而在EFRP分析中，發(fā)現大腦的右頂葉皮層P1成分的平均幅值會表現出顯著性差異，表現為關鍵興趣區(qū)的平均幅值顯著高于一般興趣區(qū)的平均幅值，這很有可能是由于在認知任務過程中發(fā)生了注意力的轉移和波動，說明在加工關鍵興趣區(qū)時被試的認知負荷有一定程度的增加；此外我們還發(fā)現不同功能的注視點在頂葉皮層P1成分的

8、平均幅值也表現出顯著性差異，說明在具有“比較”功能的注視期間，被試的視覺信息加工強度增加，認知負荷有所提高；最后，以上結果也再次證明了眼動和ERP兩者聯(lián)合使用的EFRP技術可為研究者驗證研究假設提供收斂性和差異性證據，也為在自然環(huán)境中研究視覺感知等認知任務提供了研究方案。
　　(4)心理旋轉的眼動模式及其認知加工過程研究
　　通過數據驅動的方式建立模型對兩種心理旋轉策略進行預測，為心理旋轉加工過程提供了實驗驗證和數據支撐。<

9、br>　　心理旋轉策略包括：
　　(1)左側圖形固定右側圖形旋轉，即被試將左側圖形的表象固定，將右側圖形的表象進行心理旋轉，并與左側圖形進行比較；
　　(2)右側圖形固定左側圖形旋轉，即被試將右側圖形的表象固定，將左側圖形的表象進行心理旋轉，并與右側圖形進行比較。為此，我們使logistic回歸、支持向量機和判別隱馬爾可夫模型，通過數據驅動建模對心理旋轉加工過程中的眼動模式進行描述和分析，確定了最佳的分類模型和參數，同時通過

10、隱馬爾可夫模型的隱含狀態(tài)進一步揭示了三維圖形心理旋轉的加工過程。結果發(fā)現，通過隱馬爾可夫模型預測心理旋轉策略能夠達到76.8％的平均準確率，高于其他模式分類方法；同時建模結果表明心理旋轉加工包含三個認知過程：編碼和搜索、比較、在同一側圖形中搜索。通過實驗結果進一步證實，三維圖形的心理旋轉是以逐段旋轉方式而完成的離散過程。
　　本文旨在通過結合行為學指標、眼動和腦電技術，揭示三維圖形心理旋轉的認知加工過程，對本領域的主要貢獻包括：<

11、br>　　(1)技術基礎：眼動儀和腦電儀的同步解決方案及其時間精度測量；
　　(2)實驗因素：增加了三維圖形的平面投影面積這一實驗因素，證實了其對心理旋轉加工的影響；
　　(3)研究手段：使用了EFRP技術研究心理旋轉的認知過程，結合了眼動和腦電兩種技術的優(yōu)勢，初步揭示了心理旋轉加工的腦機制；
　　(4)分析方法：數據驅動的方式建立模型，通過眼動模式預測加工策略和推斷加工過程，為該領域研究提供新的研究手段、實驗驗證和分