傳遞性推理的ERP研究

傳遞性推理的ERP研究

1001-4918（2009）04-0068-74B842.1：A1引言傳遞性推理（Transitiveinference）是一種類似于三段論的間接的關(guān)系推理，它由兩個或兩個以上具有傳遞性關(guān)系的判斷構(gòu)成推理前提，通過推理判斷得出哪個最大或哪個最小。根據(jù)中項位置的不同可以把傳遞性推理分成三類：一，同向性命題，如“G＞B，B＞F”或者“F＜B，B＜G”；二，關(guān)系異向性命題，如“G＞B，F(xiàn)＜B”，一個前提的關(guān)系是另一個前提關(guān)系的逆反；三，前提異向性命題，如“B＜G，F(xiàn)＜B”。亨特提出了操作模型，認為對于同向性命題，可以簡單快速的作出大小判斷；而對于異向性命題，則需要進行重新排序或者某種換位，需要一些額外的心理操作。因此異向性推理比同向性推理的加工時間更長[1]。對于人們在進行傳遞性推理時，經(jīng)歷了什么樣的心理加工過程？目前主要有三種論點：規(guī)則理論、心理模型理論、雙加工理論。規(guī)則理論認為人們的推理過程類似于邏輯證明過程，所使用的推論規(guī)則（抽象形式）存儲于某種心理邏輯體系當中。推理時，個體會首先去鑒別前提的邏輯形式，然后選用相應(yīng)的邏輯規(guī)則來完成推理任務(wù)[2]。心理模型理論認為在推理過程中無須應(yīng)用邏輯規(guī)則，推理過程就是對心理模型的表征和操作。人類在進行推理時首先會建構(gòu)關(guān)于前提的外顯心理模型，接著判斷該模型是否可以得出相應(yīng)的結(jié)論；如果工作記憶容量允許的話，個體會進一步建構(gòu)關(guān)于前提的內(nèi)隱心理模型來對所得出的結(jié)論進行證偽。因此，推理過程主要是通過搜尋反例來證實結(jié)論是否成立的非演繹過程[3～4]。為了進一步整合規(guī)則理論和模型理論之間的爭論，Evans等人通過系列研究和分析，提出了關(guān)于人類推理的雙加工理論，他們認為人有兩套不同的推理系統(tǒng)，其中系統(tǒng)Ⅰ是快速、平行、自動的加工，是一種無意識的平行加工過程；系統(tǒng)Ⅱ是緩慢、系列、受意識控制的加工過程，是一種需要工作記憶參與的系列加工過程[5～6]。按照不同的理論觀點，人們在進行推理時的大腦激活區(qū)域應(yīng)當存在明顯的差異[7～11]。Goel等人利用PET技術(shù)對范疇三段論推理和線性推理進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，被試在推理過程中激活的主要是負責言語加工的左額葉和顳葉區(qū)[7，8]。心理模型理論認為推理是一個受語義約束的視覺空間搜索過程，有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)了推理中與視覺空間表征相關(guān)的腦區(qū)的激活，主要是頂枕聯(lián)合區(qū)和楔前葉的兩側(cè)以及前額葉和前扣帶回[9，10]。另外，Ruff發(fā)現(xiàn)個體的視空操作技能越高，推理任務(wù)成績越好，但腦區(qū)激活程度越低。這說明視空操作技能越高，對視空過程的資源越少，從而推理腦區(qū)的興奮度越低，這也從側(cè)面說明了視空操作在推理中的作用[11]。Knauff等人利用fMRI技術(shù)研究了分別對應(yīng)于心理模型中前提加工、整合和結(jié)論確證三個階段的認知神經(jīng)加工過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第一個階段的推理過程和工作記憶中對命題信息的保持相關(guān)，激活的是枕—顳葉腦區(qū)。后兩個階段是推理過程所特有的：在第二個階段，推理者需要將工作記憶中獨立的信息整合成一個試驗性的模型，激活的是前額葉和扣帶前回。最后一個階段是通過反例的搜尋對結(jié)論進行確證。該階段表現(xiàn)出右側(cè)的后部頂葉和兩側(cè)的前額葉的激活[12]。這一研究結(jié)果說明了視覺表征參與的是早期的命題加工，隨著推理過程的進行，更抽象的空間表征開始起主要作用[12]。Knauff進一步提出只有包含了視空表征信息的內(nèi)容才會促進推理，而與推理無關(guān)的視覺表象細節(jié)會阻礙推理活動的進行[13]。邱江等采用ERP技術(shù)對三段論推理進行了研究，發(fā)現(xiàn)整個推理過程包含了三個階段：首先是對小前提的早期的一個視覺上的加工；其次是對大小前提之間關(guān)系的整合，形成一個心理表象；最后是把推理結(jié)果保持在工作記憶里面，當選擇任務(wù)出現(xiàn)時，能夠成功的提取出來[14]。綜合以上研究結(jié)果，幾種認知理論都在不同程度上得到了認知神經(jīng)心理學研究的支持。不過，它們在很多方面仍然存在著分歧，主要表現(xiàn)在：左右腦在推理中的不同作用、視覺—空間加工系統(tǒng)和語言加工系統(tǒng)與人的推理邏輯能力的關(guān)系。目前關(guān)于傳遞性推理認知機制的行為研究，結(jié)論缺乏一致性，不能很好的解釋和預(yù)測人類的傳遞性推理行為；關(guān)于傳遞性推理的PET和fMRI研究獲得了許多重要的發(fā)現(xiàn)，但是由于fMRI研究的時間定位不夠精確，不能很好地揭示傳遞性推理的實時加工過程和腦電活動情況。因此，本研究試圖利用ERP技術(shù)，采用三種不同的傳遞性推理前提和一種基線任務(wù)（記憶提?。?，通過64導(dǎo)電極帽記錄EEG，采用偶極子分析的方法研究大腦的實時加工過程，探索傳遞性推理的加工過程（對演繹推理加工階段進一步研究），并進一步驗證傳遞性推理的理論。2研究方法2.1被試選取西南大學的15名大學生，男7名，女8名，年齡18～22歲，平均為19.6歲。皆為右利手，接受的教育年限均超過13年，沒有生理或精神方面的疾病，視力或矯正視力正常，做完實驗后被試均獲取適量報酬。2.2刺激材料選取抽象的內(nèi)容（26個英文字母）作為實驗材料，采用傳遞性推理的經(jīng)典測查方式，如“G＞BB＞F”。針對相同邏輯關(guān)系的推理前提，采用三種不同的方式進行呈現(xiàn)：①同向性命題，例如，“G＞BB＞F”②關(guān)系異向性命題，例如，“G＞BF＜B”③前提異向性命題，例如“B＜GF＜B”。為了防止被試預(yù)先對問題進行加工，分別用兩種方式“誰最大？誰最??？”進行隨機提問。每一組都構(gòu)造了60個命題；另外選擇180個命題作為基線任務(wù)（BS），所謂基線任務(wù)就是指命題中的兩個對象相同，關(guān)系符號相反，例如“A＞BB＜A”，問“誰最大？誰最?。俊?。所有的字母大小均為20號宋體，隨機呈現(xiàn)于17英寸計算機的屏幕中央。2.3實驗程序與任務(wù)實驗開始前，告訴被試，下面是一些比較大小的題目，每一個題目都是有兩個前提、一個問題和備選項組成，被試需要在前提1和前提2出現(xiàn)后立即推測相應(yīng)的結(jié)論，并且根據(jù)問題從備選項中選擇出正確的答案，屏幕上的備選項①②③對應(yīng)于鍵盤上的“1”“2”“3”鍵（右手的食指、中指和無名指依次放在數(shù)字1、2、3鍵上），具體刺激流程如圖1。整個實驗分為兩個部分，首先進行練習程序，被試完成四種類型的實驗任務(wù)，熟悉實驗流程和實驗任務(wù)。隨后，將360個命題分成6個組塊進行正式測試，每個組塊有60個命題，組塊之間被試可以進行適當?shù)男菹?。實驗時被試靜坐于實驗室內(nèi)，兩眼注視屏幕中央，眼睛距屏幕60cm左右，要求被試盡量少動，答案呈現(xiàn)時盡量不眨眼，盡可能快而準地作出按鍵反應(yīng)。圖1傳遞性推理的刺激流程圖2.4腦電記錄和分析采用德國BrainProducts公司的ERP記錄與分析系統(tǒng)，按國際10～20系統(tǒng)擴展的64導(dǎo)電極帽記錄EEG，以雙耳乳突的連線作為參考電極，雙眼外側(cè)安置電極記錄水平眼電（HEOG），左眼上下安置電極記錄垂直眼電（VEOG）。每個電極處的頭皮電阻保持在5kΩ以下。濾波帶通為0.05～100Hz，采樣頻率為500Hz／導(dǎo)。完成連續(xù)記錄EEG后離線（offline）處理數(shù)據(jù)，自動校正VEOG和HEOG，并充分排除其他偽跡。在本實驗中，傳遞性推理過程主要發(fā)生在前提2出現(xiàn)以后，因此分析時程（epoch）為前提2出現(xiàn)后2000ms，基線為前提2出現(xiàn)前100ms；并且只對反應(yīng)正確的EEG進行疊加。波幅大于±80（V者被視為偽跡自動剔除）。根據(jù)本實驗的目的、總平均圖以及電壓地形圖，選取大腦中央部位的9個電極點，分別進行二因素重復(fù)測量的方差分析，二個因素分別為推理的任務(wù)類型（①、②、③、基線組）和記錄點（FCz、FC1、FC2、Cz、C1、C2、CPz、CP1、CP2）。方差分析的P值采用GreenhouseGeisser法校正，腦電地形圖由64導(dǎo)數(shù)據(jù)得出。2.5偶極子溯源分析使用BrainElectricalSourceAnalysisProgram（BESA，Version5.0）軟件，選擇四殼球頭模型，對ERP數(shù)據(jù)進行偶極子溯源分析。為了更準確地探討傳遞性推理的腦內(nèi)發(fā)生源，提高源定位的精度，選取“推理任務(wù)”和“基線任務(wù)”反應(yīng)所誘發(fā)的ERP差異波進行主成份（PCA）分析，確定偶極子個數(shù)后，軟件自動確定偶極子的位置，以相應(yīng)的殘差作為偶極子定位是否真實的評價指標。3結(jié)果3.1行為數(shù)據(jù)3.2腦電數(shù)據(jù)根據(jù)總平均圖和差異波地形圖（見圖2，3）可以發(fā)現(xiàn)，“推理任務(wù)”和“基線任務(wù)”兩類反應(yīng)都誘發(fā)了一些明顯的早成分，如N1和P2等，其中N1的潛伏期約在100ms左右，P2的潛伏期約在210ms左右。隨后，兩類反應(yīng)誘發(fā)的ERP晚成分均表現(xiàn)出一個負走向的變化趨勢。采用平均振幅法對100～1400ms間隔的時間窗口進行二因素重復(fù)測量的方差分析（每間隔50ms分析一次），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在100～300ms時窗內(nèi)，推理類型的主效應(yīng)不顯著（＝1.47，p＜0.05），電極位置的主效應(yīng)顯著（＝19.55，p＜0.001）。在300～700ms時窗內(nèi)，三種推理任務(wù)比基線任務(wù)誘發(fā)一個更負的成分，四任務(wù)類型均誘發(fā)一個晚期負成分（LNC）。方差分析的結(jié)果顯示，推理類型的主效應(yīng)顯著（＝13.45，p＜0.001），電極位置的主效應(yīng)顯著（＝7.53，p＜0.05）；在此時間窗口下，通過事后比較分析發(fā)現(xiàn)，三種推理任務(wù)與基線相比都存在著顯著差異，而三種推理任務(wù)之間不存在著顯著差異，四種任務(wù)類型下的平均波幅值：基線（5.35）＞①（3.41）＞②（3.31）＞③（3.18）。在800～1000ms時窗內(nèi)，推理類型的主效應(yīng)沒達到顯著水平（＝2.89，p＞0.05），電極位置的主效應(yīng)顯著（＝5.16，p＜0.05）。在1000～1200ms時窗內(nèi)，推理類型的主效應(yīng)沒有達到顯著水平（＝2.60，p＞0.05），電極位置的主效應(yīng)顯著（＝5.69，p＜0.05）。在1200～1400ms內(nèi)，推理類型的主效應(yīng)達到了顯著水平（F[,（3，42）]＝3.70，p＜0.05），電極位置的主效應(yīng)也顯著（＝9.90，p＜0.001）；在此時間窗口下，通過事后比較分析發(fā)現(xiàn)，推理類型②與類型③、基線相比存在著差異。通過總平均圖和以上的統(tǒng)計分析，可以看出三種推理任務(wù)所誘發(fā)的ERP波形基本一致，因此僅選取了同向命題的推理任務(wù)①與基線任務(wù)進行差異波分析，見圖3。3.3源分析使用BESA軟件對“推理任務(wù)”和“基線任務(wù)”兩類反應(yīng)所誘發(fā)的ERP差異波作偶極子溯源分析，結(jié)果見圖4。根據(jù)統(tǒng)計檢驗的結(jié)果，選定反應(yīng)類型主效應(yīng)顯著的300～700ms和1200～1400ms的時窗進行主成分分析（PCA）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在300～700ms的時窗，有一個成分可以解釋總變異的97.0％，因此選定一個偶極子進行擬合，不限制偶極子的方向和位置。該偶極子主要位于扣帶前回（BA23:anteriorcingulate）附近（三維坐標以Talairach為參考：x＝9.70，y＝－30.70，z＝19.40）。在474ms處該偶極子處于激活的頂峰，能較好地解釋絕大多數(shù)的變異，殘差為11.67％。在1200～1400ms的時窗，有一個成分可以解釋總變異的96.1％，因此選定一個偶極子進行擬合，不限制偶極子的方向和位置。該偶極子主要位于扣帶后回（BA31:posteriorcingulate）附近（三維坐標以Talairach為參考：x＝－6.90，y＝－37.60，z＝－3.80）。在1252ms處該偶極子處于激活的頂峰，能較好地解釋絕大多數(shù)的變異，殘差為8.61％。4討論行為研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在正確率上，三種推理任務(wù)之間不存在顯著差異，推理任務(wù)與基線任務(wù)之間存在著差異。根據(jù)事后對被試推理策略的詢問可知，主要采用了從左到右或者從上到下的策略對不同的任務(wù)進行從大到小或者從小到大的排序，運用了視覺的空間表征對信息進行加工，在兩個前提間進行整合形成一個最大與最小的心理表象，因此同向性命題與異向性命題相比，在推理策略上不存在著差異，因此在正確率上沒有出現(xiàn)差異。在反應(yīng)時上，三種推理任務(wù)與基線任務(wù)相比存在著顯著差異，任務(wù)①、③與任務(wù)②之間存在著顯著差異。在推理任務(wù)中，形成的是三術(shù)語的空間表象，在基線任務(wù)中形成的是二術(shù)語的空間表象，因此在選擇答案階段，推理任務(wù)的記憶維持要比基線任務(wù)的記憶維持付出更多的認知資源；三種推理任務(wù)之間，在對任務(wù)②進行空間表征的時候，需要在大于和小于之間進行轉(zhuǎn)換，在對任務(wù)①、③進行空間表征的時候，不存在大于和小于之間進行轉(zhuǎn)換的問題，因此任務(wù)②的反應(yīng)時要比任務(wù)①、③的反應(yīng)時長；此外腦電數(shù)據(jù)的結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，在1200～1400ms的時間窗口內(nèi)，任務(wù)②與任務(wù)③之間也存在著差異。研究結(jié)果部分地支持了亨特的觀點，對于異向性命題，確實需要進行某種換位，需要一些額外的心理操作。圖4差異波（推理減基線）在300～700ms（左邊）和1200～1400ms（右邊）的偶極子溯源分析圖從腦電結(jié)果上來看（根據(jù)總平均圖和差異波的電壓地形圖），三種推理任務(wù)的ERP成分基本上是相同的，而推理任務(wù)與基線任務(wù)之間存在著顯著差異。根據(jù)偶極子定位可以看出傳遞性推理的腦機制。首先在小前提出現(xiàn)后的50～200ms內(nèi)，是對命題早期的視覺上的加工，根據(jù)行為數(shù)據(jù)和總平均圖知道，推理任務(wù)與基線任務(wù)之間不存在著差異。主要是因為基線任務(wù)不是簡單的重復(fù)記憶，推理任務(wù)與基線任務(wù)都要作出大小匹配轉(zhuǎn)換。其次，在小前提出現(xiàn)后的300～700ms內(nèi)，推理任務(wù)比基線任務(wù)誘發(fā)了一個更負的ERP成分。在本研究中，在前提2出現(xiàn)以后，個體需要足夠多的認知資源來推斷兩個前提是否相同。如果兩個前提相同，被試只需要作出簡單的二術(shù)語推理判斷；如果兩個前提不相同，被試會對三個術(shù)語的信息進行整合，運用了視覺的空間表征對信息進行加工，在兩個前提間進行整合形成一個心理表象，進而作出最大或最小的判斷。在選取的九個電極點上，四種任務(wù)下的平均波幅值：基線＞①＞②＞③，這說明四種任務(wù)之間確實存在著難度上的不同，但這種不同在三種推理任務(wù)之間并沒有達到顯著差異。在300～700ms窗口內(nèi)的差異波（推理減基線）是一個晚期的負成分（LNC），一些研究[17，18]發(fā)現(xiàn)LNC是與工作記憶、注意等認知成分相關(guān)的，這說明，推理任務(wù)與記憶任務(wù)相比，要占用更多的注意資源；三種推理任務(wù)之間存雖然也存在差異，但沒有達到顯著水平。根據(jù)差異波的電壓地形圖也可看出，推理加工的完成主要激活了大腦中央的部位，左右半球都有參與。對差異波的偶極子溯源分析表明發(fā)生源在扣帶前回（BA24）。Ruff等（2003）的研究中發(fā)現(xiàn)，推理任務(wù)在前額皮質(zhì)有很大的激活，主要包括扣帶前回等區(qū)域[11]。一些研究也表明內(nèi)側(cè)額回和扣帶前回的激活可能反映了推理過程中對多渠道信息的整合[17～19]。在演繹推理中，扣帶前回與信息的整合有關(guān)的觀點，在本研究中得到了進一步的驗證和發(fā)展。Knauff等（2002）的研究表明不同的認知加工都會激活扣帶回，但關(guān)于它的主要功能目前并沒有一個讓人接受的理論[20]。問題出現(xiàn)以后，為了快速的作出反應(yīng)，被試需要在工作記憶中保留心理表象。這個加工主要激活了背外側(cè)的前額葉（dorsolateralprefrontalcortex，DLPFC）[21]。在本研究中，差異波（推理任務(wù)減基線任務(wù)）的偶極子定位分析表明DLPFC沒有被激活；主要是因為，對于基線任務(wù)，被試也需要把前提2保留在工作記憶中。最后，在小前提出現(xiàn)后的1200～1400ms內(nèi)，推理任務(wù)比基線任務(wù)誘發(fā)了一個更負的ERP成分。差異波的偶極子定位分析表明發(fā)生源在扣帶后回（BA31），這個區(qū)域與情緒加工有關(guān)[22，23]。Ruff等（2003）的研究發(fā)現(xiàn)海馬旁回和后扣帶回與非自我中的空間加工有關(guān)[11]。還有研究發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)與物體位置的空間記憶有關(guān)[24，25]或者會產(chǎn)生想象性的空間表征[26]。我們認為在推理任務(wù)中，這個區(qū)域與空間關(guān)系的表征和維持有關(guān)。在本研究中，推理任務(wù)與基線任務(wù)相比三術(shù)語的維持需要更多的認知資源。與此相同，傳遞性推理任務(wù)中，扣帶后回的激活反應(yīng)了維持和驗證三術(shù)語之間關(guān)系的心理表象的認知需求。根據(jù)本研究的結(jié)果可以看出，傳遞性推理的加工是有階段性質(zhì)的：第一階段，是對命題早期的視覺上的加工；第二階段，是對命題信息的空間表征，并進行信息的整合形成一個“最大”和“最小”的心理表征，并保留在工作記憶中；第三階段，是問題出現(xiàn)以后，對信息的提取與驗證。該研究結(jié)果一定程度上支持了心理模型理論。心理模型理論認為推理過程就是對心理模型的表征和操作，因此它是一個受語義約束的視覺空間搜索過程。以往研究確實發(fā)現(xiàn)推理中與視覺空間表征相關(guān)的腦區(qū)受到了激活[9，10]根據(jù)該理論，推理分為三個階段：前提心理模型的建構(gòu)和表征，對模型的操縱得出初步結(jié)論，最后進一步建構(gòu)