注意捕获中特征与类别注意控制定势的作用

“清华大学优秀博士学位论文丛书”（以下简称“优博丛书”）精选自2014年以来入选的清华大学校级优秀博士学位论文（Top 5%）。每篇论文经作者进一步修改、充实并增加导师序言后，以专著形式呈现在读者面前。“优博丛书”选题范围涉及自然科学和人文社会科学各主要领域，覆盖清华大学开设的全部一级学科，代表了清华大学各学科*秀的博士学位论文的水平，反映了相关领域*的科研进展，具有较强的前沿性、系统性和可读性，是广大博硕士研究生开题及撰写学位论文的参考，也是科研人员快速和系统了解某一细分领域发展概况、*进展以及创新思路的有效途径。 

注意捕获在视觉搜索任务中出现，是探讨自上而下加工和自下而上加工的区别与联系的重要现象。本书对注意捕获现象进行了深入探讨，支持了自上而下加工的作用，并进一步区分了特征和类别两个维度的注意捕获现象。
本书主要包括两部分：*部分探讨两种维度的注意捕获现象的作用机制，包括目标增强和分心物抑制两种作用；第二部分探讨注意资源投入和搜索模式对两种注意捕获的影响，包括两种维度在加工的不同阶段受到注意资源投入的不同影响。
本书可以作为心理学、认知神经科学等领域内的学生相应课程的课外读物或辅助用书，也可作为研究注意捕获、事件相关电位等课题的参考书。

目录

章研究背景

节注意捕获注意捕获

第二节注意控制定势

第三节注意控制定势的影响因素

第四节特征与类别的注意控制定势

第五节特征与类别的关系

 

第二章问题提出与研究假设

节问题提出和研究目的

第二节研究设计和假设

 

第三章特征与类别的注意控制定势对分心物的增强和抑制作用

(研究一)

节注意控制定势对分心物的增强作用(实验一)

第二节注意控制定势对分心物的抑制作用（实验二）

 

第四章注意资源投入对特征和类别注意控制定势的影响

（研究二）

节注意资源投入对两种注意控制定势的影响（实验三）

第二节注意资源投入对特征注意控制定势的影响（实验四）

第三节注意资源投入对类别注意控制定势的影响（实验五）

 

第五章总讨论

节注意控制定势对分心物的增强和抑制作用

第二节联合搜索任务中的多重注意控制定势

第三节特征与类别的注意控制定势的差异

第四节理论意义和不足展望

 

参考文献索引后记

注意是认知心理学中的一个核心概念，它与感知觉、记忆等多个认知过程有着密切的联系。日常生活中，我们可以主动地去注意路边色彩斑斓的广告牌，也可能被动地去注意门口突然传来的一声巨响。一声巨响本来与当前所从事的任务无关，但是它却能吸引注意。这里所包含的一个科学问题是：什么样的事件能够自动地吸引注意？心理学的研究将这种与任务无关的刺激不自觉地获得注意优先加工的现象称为“注意捕获”。早期一般认为自下而上的凸显刺激，例如听觉通道的一声巨响或者视觉通道中刺激的突然出现，都能够自动捕获注意。但近年来，越来越多的研究者支持自上而下加工对注意捕获的影响，认为存在一种目标导向的模板，能够将当前的刺激和目标进行对比，从而排除无关物、选择目标。这种模板也被称为“注意控制定势”（attentional control setting, ACS）。以往关于ACS的研究多集中在特征维度，对类别维度的注意捕获问题则研究较少。与实验室研究相比，生活中恰恰有很多情境需要人们对类别信息进行迅速的注意选择和加工。例如，过马路时需要注意和识别来往车辆，即车辆这个类别而不只是一辆红色的车。因此，研究和探讨类别维度的注意捕获问题，不仅能够扩展和丰富前人对注意捕获现象的理论研究，还能更好地将实验室研究与现实生活相结合，为现实生活提供指导。本书中的两个研究分别从作用机制和影响因素出发，系统探讨了特征（颜色红或蓝）和类别（数字或字母）两种ACS的区别和联系。特别地，研究利用了事件相关电位技术所提供的高时间分辨率，精确考察两种ACS影响注意的时间进程。研究以类别和特征的区别为出发点，采用巧妙的研究范式和实验设计，得出的结果和推论真实可信。该项研究不仅是对国际上类别信息注意捕获研究的重要补充，还对联合搜索任务、特征与维度整合等重要的认知心理学问题进行了深入探讨。相关成果发表在《实验心理学季刊》(The Quarterly Journal of Experimental Psychology)、《生理心理学》(Biological psychology)、《注意、知觉与心理物理学》(Attention Perception & Psychophysics)等国际期刊上，表明研究水平已得到国际同行认可。作者还参加了国际会议“美国认知神经科学学会年会”（Annual Meeting for the Cognitive Neuroscience Society），与国外同行就本书研究内容进行了深入的交流。该书结构上遵循心理学研究报告的格式和要求，可作为心理学研究生的论文写作参考；内容上对注意捕获问题有着较深入的探讨，具有较高的学术水平，可作为注意领域的专业科学读物。当然，该书一定还存在纰漏和问题，可供读者进一步讨论、批评和指正。
傅世敏〖〗清华大学心理学系〖〗2017年6月

章  研究背景节注意捕获注意捕获〖*1〗一、 视觉搜索中的注意捕获注意捕获生活中许多事物需要视觉搜索和注意定向，如我们在人群中寻找身着红色外套的孩子，首先需要在纷繁的信息中进行选择，排除无关的信息（绿色外套的孩子或红色外套的成人），终锁定目标(Posner, 1980; Posner & Cohen, 1984)。当然，在视觉搜索和注意定向的过程中，注意也可能会被突然出现的事物吸引，如人群中出现一些鬼鬼祟祟面目可憎的家伙，你可能要格外注意他们，提防他们有不轨行为。以上两种注意控制在视觉搜索任务中起着重要的作用(Yantis & Jonides, 1984; Hillstrom & Yantis, 1994; Jonides & Yantis, 1988; Mounts, 2000；Lamy & Egeth, 2003)：一种是自上而下的（topdown）加工，也被称为目标驱动（goaldirected）或内源性（endogenous）的注意选择目标驱动（goaldirected）或内源性（endogenous）的注意选择，认为注意控制系统能够提前对目标需求的特征进行激活，并对当前出现的刺激与目标特征进行匹配，如果当前出现的刺激和目标需求特征匹配，则能够得到注意的选择和加工；反之，则不能得到注意的选择和加工。这种控制加工取决于刺激与任务需求中的目标属性的匹配程度，因此被试对任务的先验知识和准备状态能够影响注意选择(Posner, Snyder, & Davidson, 1980)。例如，我们要在人群中寻找穿红色外套的孩子，注意控制系统会提前对“红色外套”和“孩子”两种特征进行激活，因此我们会对穿着红色外套的人和孩子两种群体格外注意，以此来帮助我们有效地进行注意选择。另一种是自下而上的(bottomup)加工，也被称为刺激驱动（stimulusdriven）或外源性（exogenous）的注意选择刺激驱动（stimulusdriven）或外源性（exogenous）的注意选择，认为突出于背景或突然出现的刺激具有较高的注意效价（attentional saliency），能够迅速且优先得到注意的选择和加工。这种控制加工取决于刺激本身相对于周围背景的凸显性或突显性，因此与当前任务无关的特殊刺激也能够得到注意的选择和加工。例如，我们正在人群中寻找穿红色外套的孩子，但非常漂亮的成人或者吵闹不堪的音乐也会吸引我们的注意，这些刺激与任务无关，但依然能够不自觉地引起注意的加工。注意捕获注意捕获是指与任务无关的刺激不自觉地获得注意优先加工的现象(Folk & Remington,1998; Theeuwes,1992）。这种现象不仅揭示了注意选择过程中对无关刺激的加工状态，同时还能够很好地探究自上而下和自下而上注意控制的联系和区别。因此，对于注意捕获注意捕获问题的研究也多从自上而下和自下而上这两种观点出发，从而发展成不同的理论流派。30年间，随着注意领域研究的发展，自上而下(以Folk和Eimer实验室为代表)和自下而上(以Theeuwes实验室为代表)的争议还在继续[见Theeuwes (2010)综述]，新的研究范式和技术都在为双方的观点注入新的证据和支持。（一） 注意捕获注意捕获是自下而上的加工自下而上加工自下而上加工的观点早由Theeuwes(1991a, 1992)提出，认为早期的注意选择发生在前注意阶段（preattentive），是自动化的注意转移注意转移（automatic shift of attention），且完全基于自下而上的特征（如凸显性）进行定向。只有早期注意定向到某个客体和位置上，其特征和属性才能够继续进行加工。例如，和周围环境在某种属性（颜色、形状或亮度）上不同的刺激能够凸显出来，注意系统能够对其进行迅速且自动的注意捕获注意捕获，之后才会对这个刺激的具体属性（哪种颜色、哪个形状或什么亮度）进行细致的编码和加工，后才会巩固并报告出来（Donk & van Zoest, 2008；Itti & Koch, 2001）。自下而上加工自下而上加工的观点也在不断发展，在近的综述（Theeuwes, 2010）中，Theeuwes修正并总结了自下而上加工自下而上加工观点的重要假设。首先，在注意对整个视觉范围内的刺激进行前注意搜索时，特征的差异只能是自下而上加工自下而上加工的方式。当凸显于背景的特异刺激在前注意加工中被自动迅速地选择后，会反馈给当前注意系统。之后，自上而下的加工会对该刺激和当前的目标属性进行匹配，如果不匹配，则注意系统会对该刺激的位置产生迅速的注意转移注意转移（disengagement）。这个假设没有否认自上而下加工自上而下加工的作用，而是将传统的注意捕获注意捕获分为了前注意和注意选择两个阶段，该理论强调自下而上加工自下而上加工是发生在前注意阶段，为之后的注意选择提供前提和准备，而自上而下加工自上而下加工在经过前注意阶段后才会起作用。其次，该观点假设存在早期的前馈阶段前馈阶段（feedforward sweep），这种前馈是自下而上的，能够迅速地将刺激从背景中分离开。前馈阶段前馈阶段以后，自上而下加工自上而下加工才会决定是将注意投入注意投入（engagement）到相关刺激还是迅速从该位置转移。这个假设将自下而上和自上而下加工自上而下加工联系在了一起，表明自下而上加工自下而上加工不只是发生在前注意阶段，还能够对之后的注意选择产生影响。后，注意窗口的广度能够影响前注意阶段（Belopolsky, Zwaan, Theeuwes, & Kramer, 2007; Theeuwes, Kramer, & Kingstone, 2004）。当注意窗口较宽时，个体倾向于采用平行搜索的方式，刺激间的竞争完全基于特征显著性，与目标属性相关或无关的分心物都能够得到自动的选择。因此，同样高凸显性的分心物也会引发注意捕获注意捕获，且无论搜索任务中的刺激数量是多少，都不会对注意捕获注意捕获水平和程度产生影响；当注意窗口狭窄时，个体倾向于采用序列搜索的方式，注意系统只能集中在目标属性相关的分心物上。同样高凸显性的分心物由于不在注意窗口中，因此不会引发注意捕获注意捕获，且不同刺激数量间反应时存在差异（Theeuwes, 2004），得到的搜索速度约为12ms/项。注意窗口的理论也得到了一些研究结果的支持（Belopolsky & Theeuwes, 2010; Belopolsky et al., 2007），认为不同的注意状态（分散或集中）能够影响注意捕获注意捕获的水平，然而也有些研究提出了质疑和相反的研究结果（Leber & Egeth, 2006; Wienrich & Janczyk, 2011）。（二） 注意捕获注意捕获是自上而下的加工自上而下加工自上而下加工的观点早由Folk 等(1992)提出，Folk等人通过一系列的研究（Folk, Remington, & Johnston, 1992; Folk, Remington, & Wright, 1994; Folk & Remington, 1998, 1999）表明，当实验任务是在白色字母中寻找红色字母时，只有红色的分心物（如红色数字）才能引起注意捕获注意捕获；当实验任务是判断红色字母是否出现时，只有出现的分心物才能引起注意捕获注意捕获。概括来说，只有当任务无关的分心物与目标定义属性匹配时才能够引发注意捕获注意捕获。自上而下加工自上而下加工的观点强调了注意控制的重要作用，体现了注意加工系统的能动性，因此得到了越来越多的研究证实。然而，自上而下的注意控制是有条件的，尤其是在目标定义为出现与否（onset）的研究中。如Yeh和Liao（2008）发现，要求被试判断目标是否出现，当分心物为4个时，只有突现的分心物（符合目标定义属性）才能捕获注意，支持自上而下的理论；而当分心物数量增加到8个时，颜色凸显的分心物（不符合目标定义属性）也能够捕获注意，支持自下而上的理论。这些结果得到了许多研究的证实（Schreij, Owens, & Theeuwes, 2008; Yeh & Liao, 2010）。此外，Kiss和Eimer(2011)也发现，无论目标定义为颜色或出现与否，缺失的视觉刺激均能够引发注意捕获注意捕获。这表明，没有的自上而下加工自上而下加工，高凸显的刺激（缺失的刺激）依然能够引发足够的自下而上的注意捕获注意捕获。Liao和Yeh(2013)由此提出注意捕获注意捕获的混合性理论注意捕获的混合性理论（hybrid account），试图来整合注意捕获注意捕获中的自上而下加工自上而下加工和自下而上加工自下而上加工。该理论认为，注意捕获注意捕获依赖于目标刺激的定义属性：当目标定义为出现与否时，目标是一种瞬时变化的刺激（transient stimulus），神经系统迅速激活，开启较狭窄的注意窗口，因此注意捕获注意捕获较少受到自上而下注意控制的影响，无论分心物与目标定义属性是否相同都会受到注意捕获注意捕获；当目标定义为凸显的特征（如颜色）时，目标是一种稳定的刺激（static feature），为了更有效地进行特征选择，神经系统的激活较慢，因此注意捕获注意捕获有更宽的注意窗口和更多的时间来与自上而下的注意控制进行交互，此时分心物只有与目标定义特征匹配时才能得到注意捕获注意捕获。混合性理论得到了许多神经生理学研究的支持。瞬时的自下而上的注意捕获注意捕获可能发生在外侧膝状体核（lateral geniculate nucleus，LGN）的大细胞通路（magnocellular pathways）中，对运动性和时间性的刺激迅速地进行反应。这种大细胞通路通常存在于视觉的背侧区域（dorsal visual areas）（如MT中颞叶皮层（Medial temporal，MT）），负责加工“在哪里（where）”信息；而持续的自下而上的注意捕获注意捕获可能发生在小细胞通路（parvocellular pathways），对特征性的静态的刺激精细地进行加工。这种小细胞通路通常存在于视觉的腹侧区域（ventral visual areas）(如IT下颞叶皮层（Inferior temporal，IT）, V4视觉皮层的第4个命名区域（Visual area，V4）等)，负责加工“是什么（what）”信息（Mishkin & Ungerleider, 1982; Goodale & Milner, 1992）。此外，还有研究认为自上而下和自下而上的注意控制可能分别发生在不同的加工阶段。在反应时较长的条件下，自下而上对注意捕获注意捕获的作用明显减少，可能是由于自下而上的加工只在注意加工的早期阶段起作用。许多研究证实在注意加工的150ms内自下而上起着重要的作用，此后自上而下的因素才起作用（Theeuwes, 1994; Theeuwes, Atchley, & Kramer, 2000; Theeuwes, 2010; Van der Stigchel, Belopolsky, Peters, Wijnen, Meeter, & Theeuwes, 2009; Van Zoest, Donk & Theeuwes, 2004）。Folk等人发现的无关凸显分心物没有引发注意捕获注意捕获，可能是早期自下而上到晚期自上而下控制的注意转移注意转移。Theeuwes 等(2000)认为带有目标特征分心物能够引发注意捕获注意捕获可能不是由于自上而下的需求特征匹配，而是由于从该分心物转移到目标刺激需要的时间更长，因此引发更大的注意捕获注意捕获。而Eimer和Kiss(2010)在脑电波形上没有发现特征搜索模式特征搜索模式下的早期特殊成分，因此不支持注意转移注意转移的观点。二、 注意捕获注意捕获研究的常用范式以往的研究通常采用3种范式来探讨注意捕获注意捕获现象，每种范式都侧重探讨不同的问题，控制视觉搜索任务中不同的变量，采用不同的指标来衡量注意捕获注意捕获的作用。（一） 额外搜索任务额外搜索任务图11额外搜索任务额外搜索任务的流程任务要求既快又准地判断圆形内部的线段朝向（水平或竖直），其他分心物与任务无关。额外搜索任务额外搜索任务(additional singleton task)(Theeuwes, 1991)是注意捕获注意捕获早期研究中常用的范式。如图11所示（见文前彩图），在屏幕中同时呈现多个（一般为7个）围绕在注视点周围的刺激，每个刺激包含外框形状（圆形或菱形）和内部偏向（横向或纵向）的线段，要求被试迅速判断特定目标形状（如圆形）内部的线段朝向，记录判断正确试次的反应时。在无分心物（no distractor）条件下，所有刺激均为同种颜色，搜索任务是基于形状特征的搜索。在有分心物（distractor）条件下，通过控制分心物的颜色来标记凸显无关刺激。例如，要求在菱形中搜索圆形，所有刺激均为绿色，只有其中一个无关刺激（菱形）变为凸显的颜色（红色）。研究结果发现，有分心物条件时正确试次的反应时显著地长于无分心物条件，说明无关凸显刺激干扰了视觉搜索和注意定向，使目标搜索的反应时变长。研究者们将这种反应时的变化看作是无关凸显刺激引发的注意捕获注意捕获的作用。需要注意的是，凸显的无关刺激和目标定义的属性没有直接关联，而只是单纯物理特征上的凸显。因此，额外搜索任务额外搜索任务的大多数结果都支持注意捕获注意捕获是由物理特征和自下而上的知觉加工决定的观点。（二） 空间线索范式空间线索范式空间线索范式空间线索范式（spatialcueing paradigm）初由Folk等(1992)用来考察不同的线索和目标匹配程度对注意捕获注意捕获的影响。实验要求被试在搜索屏（target display）中觉察目标并尽快按键反应。目标分别定义为动态（dynamic）和静态（static）两种属性，动态属性定义为目标是否出现（onset），而静态属性则定义为特定颜色（color）的目标。在目标搜索屏出现前150ms会呈现与任务无关的线索屏（cue display），线索和目标的空间位置可能为有效提示（即线索和目标出现位置相同）和无效提示（即线索和目标出现位置不同）。结果表明，当线索的属性（意外突显刺激或颜色不同刺激）和目标刺激的属性相同时，空间有效提示条件的反应时显著短于无效提示条件，产生了空间线索效应（spatial cueing effect）。这说明线索得到了注意捕获注意捕获，从而对目标出现的位置进行了有效提示，使目标觉察反应时变短。值得注意的是，只有当无关线索的属性和目标定义的属性相匹配时，无关线索才会引发注意捕获注意捕获，即如果目标定义为出现与否，则只有突然出现（abrupt onset）的线索才会引发空间线索效应；如果目标定义为某种颜色，则只有颜色凸显（discontinuity in color）的线索才会引发空间线索效应。因此，这个结果支持了注意捕获注意捕获是由任务需求和自上而下的属性匹配决定的观点。空间线索范式空间线索范式和额外搜索任务额外搜索任务有许多不同。首先是分心物（或线索）和目标的时间间隔不同。Folk等人进行的一系列研究都采用空间线索范式空间线索范式，分心物在目标刺激呈现前150ms出现，而Theeuwes等采用额外搜索任务额外搜索任务，分心物和目标同时呈现。因此有研究者对Folk的研究范式产生质疑，认为中间间隔的时间可能使分心物产生的注意捕获注意捕获作用消退，当分心物和目标之间的时间间隔（stimulus onset asynchronies, SOAs）在100ms以内时，无关凸显刺激才能够引发注意捕获注意捕获，而长SOAs时则不能引发足够的注意捕获注意捕获（Kim & Cave, 1999; Lamy, Tsal, & Egeth, 2003）。其次，两种范式的指标也不同。额外搜索任务额外搜索任务考察出现凸显分心物对目标识别反应时的干扰作用，即如果凸显分心物出现，对目标识别的反应时增长，则说明凸显分心物得到了注意捕获注意捕获，反之如果没有对反应时造成干扰，则说明凸显分心物没有得到注意捕获注意捕获；空间线索范式空间线索范式考察分心物和目标刺激空间位置相同时产生的空间线索效应，即如果凸显分心物和目标刺激的位置相同，对目标识别反应时降低，则说明凸显分心物得到了注意捕获注意捕获，从而对该空间位置产生了空间提示效应，反之如果没有空间提示效应，则说明凸显分心物没有得到注意捕获注意捕获。（三）  快速序列视觉呈现任务快速序列视觉呈现任务（RSVP task）Folk, Leber和Egeth(2002)采用快速序列视觉呈现（rapid serial visual presentation, RSVP）任务来解决以往研究范式的问题。以往有研究发现，无关分心物出现前注意的空间集中程度会影响注意捕获注意捕获，当空间注意高度集中时，空间焦点外的凸显刺激就不会捕获注意（Yantis & Jonides, 1990）。对额外搜索任务额外搜索任务，无关分心物和目标刺激的位置总不相同；而在空间线索范式空间线索范式的有效提示条件下，无关分心物和目标刺激的位置又总是相同。因此，这些任务不但很难排除空间注意的影响，也无法确定心理预期在注意捕获注意捕获中的作用。RSVP任务是在固定空间位置上连续呈现一系列视觉刺激，这种任务不但能够使注意集中在中央位置，还能够很好地解决无关分心物和目标刺激出现的不确定性(Folk, Leber & Egeth, 2008)。Folk等(2002)的实验采用RSVP任务(图12，见文前彩图)，在一系列快速呈现的刺激中，要求被试寻找特定颜色（红色或绿色）的目标刺激，刺激流中的其他刺激为各种不同的颜色。目标刺激出现前后可能会出现干扰屏（distractor array），由围绕在中央刺激流的4个字符（#）组成。实验控制了分心物和目标的时间间隔（Lag1, Lag0, Lag1, Lag2），以及分心物的属性（不出现、4个外周刺激均为灰色、其中1个与目标刺激相同颜色、其中1个与目标刺激不同颜色）。图12快速序列视觉呈现范式的流程要求被试寻找中央序列刺激流中的红色目标，图中示意了分心物呈现在目标前两屏（Lag2），且分心物为目标定义的颜色（红色）的条件。实验中会有不同的目标分心物时间间隔（Lag1, Lag0, Lag1, Lag2）及分心物的属性（不出现、4个外周刺激均为灰色、其中1个与目标刺激相同颜色、其中1个与目标刺激不同颜色）。结果发现，当分心物出现在目标前两屏（Lag2）时，带有目标特征颜色的外周无关分心物使中央目标刺激识别正确率降低，产生了类似于注意瞬脱注意瞬脱（attentional blink, AB）(Raymond,