本文關(guān)鍵詞：基于眼動和腦電的心理旋轉(zhuǎn)認(rèn)知機(jī)制研究

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【摘要】：空間認(rèn)知能力是人類最基本的認(rèn)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(guān)注的無人機(jī)領(lǐng)域。空間視覺化作為空間認(rèn)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(zhuǎn)測試是空間視覺化的經(jīng)典研究范式,可有效預(yù)測和評價人的空間視覺能力。從上世紀(jì)70年代開始,Shepard等人開始對心理旋轉(zhuǎn)進(jìn)行研究,隨著研究的不斷深入,人們越來越關(guān)注心理旋轉(zhuǎn)加工過程的高級認(rèn)知功能。眼動追蹤和神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,為心理旋轉(zhuǎn)等認(rèn)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(shù)相結(jié)合,對心理旋轉(zhuǎn)等認(rèn)知任務(wù)進(jìn)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(zhǔn)方法;考察了三維圖形心理旋轉(zhuǎn)加工的影響因素,分析了各眼動指標(biāo)與反應(yīng)時和各影響因素的相關(guān)性,初步揭示了心理旋轉(zhuǎn)的加工過程;使用眼動和腦電的同步技術(shù)進(jìn)一步探究心理旋轉(zhuǎn)的認(rèn)知過程和腦機(jī)制;通過數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的方式對不同的心理旋轉(zhuǎn)策略進(jìn)行預(yù)測,并揭示了三維圖形心理旋轉(zhuǎn)所包含的加工過程和狀態(tài)。本文的主要研究內(nèi)容、研究結(jié)果和研究結(jié)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(jù)所用儀器的自身特性實現(xiàn)了四種同步方法,評估各同步方法的時間精度。結(jié)果表明,Tobii眼動儀通過直接調(diào)用SDK開發(fā)包實現(xiàn)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(zhǔn)方法供同行參考。(2)心理旋轉(zhuǎn)認(rèn)知加工的行為學(xué)和眼動特征研究對Shepard三維圖形心理旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)加工的影響;除了對反應(yīng)時和準(zhǔn)確率等行為學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析外,還增加了對各眼動指標(biāo)與不同影響因素和行為學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性分析,從一維眼動參數(shù)中初步獲得心理旋轉(zhuǎn)加工的特征和模式。結(jié)果表明,心理旋轉(zhuǎn)的反應(yīng)時與角度差呈顯著正相關(guān),這與以往的研究結(jié)論一致;此外,對圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的圖形比圍繞X軸旋轉(zhuǎn)的圖形的加工的反應(yīng)時更短,對相同圖形比鏡像圖形的加工的反應(yīng)時更短,說明被試對圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的圖形和相同圖形的加工速度更快;此外還發(fā)現(xiàn),像素水平越高,即平面投影面積越大,反應(yīng)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(rèn)知加工速度更快;此外,眼動參數(shù)中的注視次數(shù)、總注視時間、總眼跳時間與反應(yīng)時有顯著相關(guān)性;通過對注視點分布模式的分析,發(fā)現(xiàn)三維圖形存在一些關(guān)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(guān)鍵性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(3)心理旋轉(zhuǎn)認(rèn)知加工的腦機(jī)制研究使用眼動和腦電同步的注視點相關(guān)電位(eye-fixation related potential,EFRP)技術(shù)進(jìn)一步探究心理旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)加工中的作用和重要性,同時結(jié)合眼動和EFRP指標(biāo),對同一因素下的結(jié)果進(jìn)行驗證和比較,分析其內(nèi)在的加工過程,從電生理的角度揭示心理旋轉(zhuǎn)加工的模式及其腦機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在關(guān)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(xiàn)顯著差異,而在EFRP分析中,發(fā)現(xiàn)大腦的右頂葉皮層P1成分的平均幅值會表現(xiàn)出顯著性差異,表現(xiàn)為關(guān)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(rèn)知任務(wù)過程中發(fā)生了注意力的轉(zhuǎn)移和波動,說明在加工關(guān)鍵興趣區(qū)時被試的認(rèn)知負(fù)荷有一定程度的增加;此外我們還發(fā)現(xiàn)不同功能的注視點在頂葉皮層P1成分的平均幅值也表現(xiàn)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(qiáng)度增加,認(rèn)知負(fù)荷有所提高;最后,以上結(jié)果也再次證明了眼動和ERP兩者聯(lián)合使用的EFRP技術(shù)可為研究者驗證研究假設(shè)提供收斂性和差異性證據(jù),也為在自然環(huán)境中研究視覺感知等認(rèn)知任務(wù)提供了研究方案。(4)心理旋轉(zhuǎn)的眼動模式及其認(rèn)知加工過程研究通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式建立模型對兩種心理旋轉(zhuǎn)策略進(jìn)行預(yù)測,為心理旋轉(zhuǎn)加工過程提供了實驗驗證和數(shù)據(jù)支撐。心理旋轉(zhuǎn)策略包括:(1)左側(cè)圖形固定右側(cè)圖形旋轉(zhuǎn),即被試將左側(cè)圖形的表象固定,將右側(cè)圖形的表象進(jìn)行心理旋轉(zhuǎn),并與左側(cè)圖形進(jìn)行比較;(2)右側(cè)圖形固定左側(cè)圖形旋轉(zhuǎn),即被試將右側(cè)圖形的表象固定,將左側(cè)圖形的表象進(jìn)行心理旋轉(zhuǎn),并與右側(cè)圖形進(jìn)行比較。為此,我們使logistic回歸、支持向量機(jī)和判別隱馬爾可夫模型,通過數(shù)據(jù)驅(qū)動建模對心理旋轉(zhuǎn)加工過程中的眼動模式進(jìn)行描述和分析,確定了最佳的分類模型和參數(shù),同時通過隱馬爾可夫模型的隱含狀態(tài)進(jìn)一步揭示了三維圖形心理旋轉(zhuǎn)的加工過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn),通過隱馬爾可夫模型預(yù)測心理旋轉(zhuǎn)策略能夠達(dá)到76.8%的平均準(zhǔn)確率,高于其他模式分類方法;同時建模結(jié)果表明心理旋轉(zhuǎn)加工包含三個認(rèn)知過程:編碼和搜索、比較、在同一側(cè)圖形中搜索。通過實驗結(jié)果進(jìn)一步證實,三維圖形的心理旋轉(zhuǎn)是以逐段旋轉(zhuǎn)方式而完成的離散過程。本文旨在通過結(jié)合行為學(xué)指標(biāo)、眼動和腦電技術(shù),揭示三維圖形心理旋轉(zhuǎn)的認(rèn)知加工過程,對本領(lǐng)域的主要貢獻(xiàn)包括:(1)技術(shù)基礎(chǔ):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(zhuǎn)加工的影響;(3)研究手段:使用了EFRP技術(shù)研究心理旋轉(zhuǎn)的認(rèn)知過程,結(jié)合了眼動和腦電兩種技術(shù)的優(yōu)勢,初步揭示了心理旋轉(zhuǎn)加工的腦機(jī)制;(4)分析方法:數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式建立模型,通過眼動模式預(yù)測加工策略和推斷加工過程,為該領(lǐng)域研究提供新的研究手段、實驗驗證和分析方法。
【學(xué)位授予單位】：中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：B842;R33

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