類別空間關系加工系統和數量空間關系加工系統的分離

摘 要：Kosslyn認為人類的空間關系加工系統分為類別空間關系加工子系統和數量空間關系加工子系統，這兩個子系統不僅存在功能上的分離，并且存在大腦神經水平的分離，這種神經水平的分離表現為兩種空間關系加工的大腦半球偏向，即類別空間關系加工的左半球偏向與數量空間關系加工的右半球偏向。對兩種空間關系加工的研究，涉及的領域從低水平的空間知覺，至表象、記憶、語言、行動及物體識別等，涉及的研究方法包括半視野速示法，神經網絡模擬，PET，flVIRI，ERP，rTMS，腦損傷病人的研究及比較動物研究。綜合現有研究，雖然大多數研究中得到的腦半球偏向為兩種加工子系統在神經水平的分離提供了證據，但不同研究中腦半球偏向的獲得是相當不穩定的，并且受到研究方法因素的影響。盡管造成神經水平的分離似乎與大腦左右半球對具有不同感受野特征的神經元輸出的偏向有一定的關系，但這仍需要進一步的研究證據。關鍵詞類別空間關系加工；數量空間關系加工；腦半球偏向；分離

1 引言

空間關系的加工對我們知覺我們周圍的環境或進行空間活動有著非常重要的作用。這種空間關系包括環境中不同物體之間的空間關系(between-object)，或復雜物體中各部分之間的空間關系(within-object)。而空間關系的加工可以分為類別空間關系加212(categorical spatial relationprocessing)和數量空間關系加工(coordinate relation processing)。類別空間關系表征更抽象的，包含一系列同等水平的相對位置關系(如在上方／在左邊)，而數量空間關系則表征更具體精確的數量關系(如在上方2cm處)。Kosslyn認為，類別空間關系加工在物體識別中有重要作用，尤其是識別那些可以扭曲變形的物體，如動物或人。例如一只臥在地上的狗，雖然它的前腿與身體的空間位置關系在數量水平上相對于它站立時已有了改變，但在更抽象的類別水平上，前腿與身體的相對空間位置關系卻依然沒有改變：即前腿與身體前端相連(contact to)。這種相對位置的不變性使我們可以識別那些可以扭曲或變形的物體。另一個重要作用是類別空間關系可以把物體的空間結構保留下來從而使視角的變化不會對物體識別造成影響。而數量空間關系則更多地用于指導我們的空間行動，例如我們要端起一個杯子，我們就必須加工手與杯子把手之間較精確的空間距離關系。

Kosslyn認為我們的大腦有兩個分離的空間關系加工系統，分別加工類別空間關系和數量空間關系，左半球更偏向于加工類別空間關系，而右半球更偏向于加工數量空間關系。大腦之所以進化產生這種神經水平的分離，很可能因為分離的系統進行信息加工的效率和準確性更高，因為分離的系統可以避免不同信息間的相互干擾。例如，在進行某些物體的識別時，我們必須忽略精確的數量空間關系而只進行較粗糙的類別加工，過于精確的數量加工反而會對識別造成干擾。

兩種空間關系加工系統理論引起了眾多研究者的興趣，研究者采用不同的研究方法從不同的方面對多個領域中的空間關系加工進行研究，試圖為兩種空間關系加工系統的分離提供證據。一些研究者找到了兩種空間關系加工在功能上分離的證據，負責數量空間關系判斷的加工子系統既可隨系統訓練而表現出功能增強的練習效應。也可隨年老過程而發生功能衰減的年齡效應。相對而言，涉及類別空間關系判斷的加工子系統則較少受到練習和年老化因素的影響。研究提示。由于受大腦神經解剖結構特點以及加工任務性質的影響，數量空間關系加工子系統更多地表現出了認知加工的可塑性和易變性特點，而類別空間關系加工子系統則表現出相對的穩定性或可塑性較低的認知特性。梁三才等將空間關系判斷任務與注意研究范式——RSVP范式相結合得到了類別和數量空間關系判斷之間的實驗性分離：類別空間關系判斷表現出較大的注意瞬脫效應，數量空間關系判斷只有輕度注意瞬脫效應。這說明，類別和數量空間關系加工子系統具有不同信息加工特性：前者依賴實時注意資源，其編碼過程更多涉及控制性加工；后者較少依賴實時注意資源，其編碼過程更多涉及自動加工。然而支持分離的最有力的證據莫過于大腦神經水平的分離，即兩種加工涉及不同的大腦區域。因此，大量研究試圖找到支持Kosslyn關于類別空間關系加工和數量空間關系加工的大腦半球偏向的證據。研究不僅涉及低水平的空間知覺，并且延伸至表象、記憶、語言、物體識別等更高水平的認知活動中。然而，不同研究的結果卻不盡一致，是否得到神經水平的分離——腦半球偏向受到研究者采用的實驗方法等因素的影響。這種分離的不穩定性意味著分離也許并不存在，或者分離的確存在，只是會受到一些因素的影響?如果分離真的存在，那么這種分離的程度有多大?這種分離是相對的還是絕對的?因此，分離是否真正存在仍然是一個被激烈爭論的問題。從眾多混雜的證據中整理出一些線索，找出影響得到不一致結果的因素，是分析是否真正存在兩種分離的空間關系加工系統的關鍵。

2 神經網絡模型對空間關系加工的模擬

為了證明分離的系統對信息加工的效率和準確性是有貢獻的，Kosslyn和同事用三層前饋式連接主義神經網絡模型對兩種空間關系的加工過程進行了模擬。這種網絡模型可以對網絡提供反饋信息，網絡通過利用反饋不斷調整輸出模式，從而實現自主學習，最終學會某項任務。Kosslyn等假設：網絡隱藏層與輸出層中的神經元若只負責處理一種輸入信息：類別空間關系，或者數量空間關系，這種網

Kosslyn等稱為分離的網絡(split network)——能夠更快更好地學會空間關系的加工。如果隱藏層與輸出層中的神經元同時負責處理兩種輸入信息，既加工類別空間關系同時又加工數量空間關系，這種網絡——Kosslyn等稱為不分離的網絡(unsplit network)——其學習效率和準確率都有損失。實驗對分離的網絡和不分離的網絡學習兩種空間關系加工的情況進行了比較，結果顯示：分離的網絡的確比不分離的網絡學習效率和準確率更高。

感受野的大小被假設與兩種空間關系加工的腦半球偏向有著某種聯系，盡管在后來的研究中對這種聯系有了新的可能的解釋。研究假設認為，主要分布于左半球的較小的不重疊的感受野更適合于加工類別空間信息，主要分布于右半球的較大的重疊的感受野更適合于加工數量空間信息。而這可能是造成腦半球偏向的一個可能的原因。為給這一假設提供一些證據，Kosslyn在網絡的輸入層之前加上了視網膜層，以實現對感受野特征的模擬。加入視網膜層后的網絡的學習情況與這一假設是一致的，學習加工類別空間關系的網絡在學習結束后在視網膜層中獲得了較小的感受野，而學習加工數量空間關系的網絡在學習結束后則獲得了較大的感受野。相對應地，具有較小感受野的網絡在類別空間關系加工任務中表現得更好，而具有較大感受野的網絡在數量空間關系加工任務中表現得更好。

然而，Sergent則對兩種空間關系加工的分離提出了爭論，她認為如果兩個系統是分離的，那么數量加工系統所加工的數量距離信息就不會對類別加工產生影響。而實際上對類別空間關系的加工的確會受到距離的影響，這種影響的表現之一為：在HeUige和Michimata的Bar-Dot任務中，點與棒的距離越遠對類別空間關系的判斷越快也越準確。Kosslyn等利用網絡模擬對此做出的解釋是：任務難度是影響類別和數量關系加工的因素之一，而任務難度可以通過距離，數量關系來控制。然類別和數量關系加工都受到距離的影響，然而這只能說明兩者可能涉及一些共同的加工過程或機制，不能說明兩者是同一個加工系統。因此Kosslyn認為，數量信息對類別關系加工的影響并不能成為兩者不是分離的證據，因為兩者同時受到第三個因素即任務難度的影響，這種影響可能只能說明兩個系統的分離并不是絕對的，而是相對的，即使大腦的兩個半球分別加工兩種不同的空間信息，這兩個加工系統之間也還是存在聯系的。

Kosslyn所作的解釋似乎并沒有能夠停止其他研究者對這項研究的爭論。Kosslyn用于實驗的神經網絡模型被Cook所反駁。Cook認為Kosslyn實驗中所得到的分離網絡相對于非分離網絡的學習優勢產生于輸入層與輸出層神經元之間低水平的相關，而并非是網絡利用反饋自行學習的結果，因此并不能用來說明分離的網絡比不分離的網絡效率更高。盡管Kosslyn和同事對Cook的爭論進行了回復并重新設計了除去相關關系的網絡模型，并且依然得到了分離網絡相對于非分離網絡的優勢。但來自神經網絡的證據似乎并沒有成為證明分離最有力的證據，因為不可否認神經網絡模型與人類大腦之間還存在著很大的差異，來自神經網絡的證據無法直接地用來說明人類被試也會得到相同的結果。因此，隨后的研究基本都采用人類被試。

3 行為實驗中較低水平認知加工的兩種空間關系加工系統的分離

Hellige和Michimata早在1989年首先創造并使用Bar-Dot任務對人類空間關系加工進行了研究。這種任務的刺激包括一系列有著不同相對位置的棒和點的組合，要求被試對棒和點的空間關系進行兩種水平的空間關系判斷。類別水平的空間關系判斷要求判斷棒與點之間的相對位置關系，如：在上方／下方，或在左方／右方。而數量水平的空間關系判斷則要求判斷棒與點的精確空間位置關系，如點在棒上方1，5cm距離之內或之外。Hellige和Michimata的實驗刺激采用半視野速示法呈現給被試，這種刺激呈現方法是將刺激隨機短暫地呈現于左或右視野中，而視野與大腦左右半球是交叉對應的，因此可以使與刺激呈現視野相對應的大腦半球優先對刺激進行加工，由此獲得腦半球信息加工的相關數據。實驗結果顯示，在類別空間關系判斷任務中，刺激呈現于右視野(左半球)時被試的表現要優于刺激呈現于左視野(右半球)的表現，而在數量空間關系判斷任務中，刺激呈現于左視野(右半球)時被試的表現要優于刺激呈現于右視野(左半球)的表現。這種腦半球偏向在某種程度上說明兩種空間關系加工在大腦神經水平上出現了分離。

隨后，半視野速示法與Hellige和Michimata的Bar-Dot任務被廣泛用來研究兩種空間關系加工系統的半球偏向。 Kosslyn等使用了半視野速示法與Bar-Dot任務相結合的實驗范式對人類被試的空間關系加工進行了系列研究。然而，在第一個實驗中，Kosslyn并沒有使用與Hellige和Michimata的Bar-Dot任務完全相同的刺激，而是采用了另一種稍作變化的刺激。刺激包括一個圓點和一個曲線圍成的不規則封閉圖形，圓點與圖形輪廓之間的空間距離分別為：0，1，10mm。要求被試對點與曲線圖形的空間位置關系做出判斷。在類別空間關系判斷任務中，要求被試判斷點是在曲線圖形上或不在曲線圖形上(on／off)，正確的判斷是：當兩者距離為0mm時，為在圖形上：當兩者距離為1mm或10mm時，為不在圖形上。在數量空間關系判斷任務中，要求被試判斷點是離曲線圖形遠還是近，正確的判斷是：當兩者距離為1mm，為近；當兩者距離為10mm時，為遠。實驗結果顯示：當刺激呈現于右視野即在左半球加工時，被試做類別空間關系判斷表現得更好；而當刺激呈現于左視野即在右半球加工時，被試做類別空間關系判斷表現得更好。這與之前獲得的半球偏向是一致的。然而一個有趣的發現是：在這個任務中，類別關系判斷的反應時要顯著地大于數量關系判斷的反應時。因此，這里得到的兩種空間關系加工的腦半球偏向并不能作為兩種空間關系加工系統是分離的證據，因為另一個可能的解釋是：之所以出現半球偏向，是因為左半球更善于加工難度較大的任務，而右半球更善于加工難度較小的任務。

在后面的實驗中，Kosslyn使用了Dunn和Kirsner的“反轉聯合”的邏輯：在一個變量的至少三個水平上，被試在兩個任務中的行為表現的變化方式是不同的，那么這兩個任務就涉及了不同的加工系統，即出現了分離。如果是相同的，那就只涉及一個加工系統。在第三個實驗中，Kosslyn采用了Hellige和Michimata任務中的實驗刺激以控制任務難度，使類別判斷的難度低于數量判斷的難度。實驗得到的被試的行為表現與第一個實驗相反，即：類別關系判斷的反應時小于數量關系判斷的反應時。但腦半球偏向卻和第一個實驗保持一致。這兩個結果相結合就排除了腦半球偏向的出現是大腦對不同難度任務的偏向的可能性，而可以歸因于兩種任務加工系統的分離。

4 認知神經科學的研究證據

半視野速示法只能提供最粗略的神經水平分離的證據，因為左或右視野的加工優勢只能說明整個右或左半球可能更偏向于加工某項任務，并不能直接比較兩種加工過程所涉及的較為精確的大腦區域。而獲得不同加工過程所涉及較為精確的大腦區域的差異最直接的方法是比較在不同加工中大腦不同區域的激活或不同的激活程度。認知神經心理學的研究方法，如PET，tMRI，ERP等提供了這種可能性。Kosslyn等人曾用PET對涉及兩種空間關系加工的大腦區域進行了掃描。實驗得到與之前的研究一致的兩種空間關系加工的大腦半球偏向：在類別空間關系加工任務中，大腦左半球區域的激活比在數量空間關系加工任務中更大；而在數量空間關系加工任務中，大腦右半球區域的激活比在類別空間關系加工任務中更大。另一個有趣的發現是，兩種空間關系的加工不僅涉及了與空間關系加工相關的大腦區域，更大范圍的大腦區域也被不同程度地激活了。這種激活似乎與注意有一定的關系。因此，空間關系加工的腦半球差異似乎并非很大程度地來自于大腦左右半球所分布的神經元的感受野的差異，而更多的是因為注意的分配方式：大腦左右半球中具有不同感受野特征的神經元的分布方式可能是相同的，而右半球對具有較大感受野的神經元的輸出信息更敏感，而左半球對具有較小感受野的神經元的輸出信息更敏感。

Baciu等用fMIRI對角回在空間關系加工中的作用進行了研究。結果顯示：右角回比左角回在數量關系加工任務中有更大的激活。然而有趣的是，這種激活優勢在第一部分的任務結束后由右角回轉到了左角回。因此腦半球偏向在一定程度上受到練習效應的影響。

用認知神經科學的方法所作的研究總體來看得到了兩種加工系統在大腦空間維度上的分離。然而分離是從加工過程的哪個階段開始產生的?是在知覺編碼階段，記憶，提取或是反應決策階段?空間維度的分離如果也能體現在時間維度上，將會對分離提供更有力的證據。

ERP是有較高時間分辨率的認知神經科學的研究方法。Parrot等用ERP記錄了在刺激出現230ms至270ms后被試完成兩種空間關系判斷任務時的左右腦腦電波的不同。結果顯示：在數量關系加工任務時，在右枕葉和頂葉上方區域得到了一個更大的負波。雖然Parrot的研究并沒有得到兩種加工分離開始的具體階段，但Parrot認為ERP腦電波在大腦兩半球的差異并非來自任務難度的差異，而是因為兩種加工過程的確存在差異。

在最近的一項研究中，VailderLubbe等用ERP對類別空間關系加工與數量空間關系加工過程在時間維度上的分離進行了測量。實驗采用了Bar-Dot任務的變式：在屏幕中間首先呈現一組棒和點，稱為S1，2，5s之后在左或右視野呈現另一組點和棒，稱為S2。被試的任務是判斷S1與S2在類別水平或在精確的數量水平是否相同。S1與S2將整個任務過程分為了對S1的編碼和記憶階段，以及對S2的編碼，對S1的提取，比較判斷和做出反應的階段。行為水平的數據包括反應時和錯誤率只顯示出在數量加工中的左視野的右半球偏向，而沒有顯示在類別加工中的右視野的左半球偏向。

刺激S1后0ms至800ms的ERPs，刺激S2后0ms至600ms的ERPs顯示，在數量判斷任務中S1誘發了比類別判斷任務中更大的早期和晚期的雙側大腦后部的反應，而s2則只誘發了數量判斷任務中更大的早期的大腦對側的反應，和類別判斷任務中更大的晚期右半球的反應。這說明數量空間關系加工的左視野即右半球偏向來自于大腦左右半球在知覺編碼階段和記憶階段的差異。

5 腦損傷病人的空間關系加工

盡管許多研究得到兩種空間關系加工的大腦半球差異，但這種腦半球的功能性的分離是相對的還是絕對的一直是一個被研究者所爭論的問題。對腦損傷病人的研究提供了一些證據，這些證據顯示這種分離可能只是相對的。Sergent對裂腦病人的大腦半球加工空間信息的能力進行了研究，研究并沒有獲得任何腦半球偏向，病人大腦左右半球對類別和數量信息的加工效率相同。這說明至少一些信息在大腦兩半球之間是可以相互傳輸的。Sergent的研究在某種程度上說明了這種分離至少應是相對的。

然而其它對腦損傷病人的研究則不同程度地獲得了支持分離的證據。Laeng研究了大腦局部損傷病人對空間關系變化的反應能力——即知覺變化的敏感度。Laeng認為，這種反應能力在大腦左右半球的差異也可以作為支持分離的證據。如果大腦左半球局灶性損傷會使病人對類別空間關系變化的敏感度降低，而大腦右半球局灶性損傷會使病人對數量空間關系變化的敏感度降低，就說明左半球涉及加工類別空間關系，而右半球涉及加工數量空間關系。實驗任務要求病人判斷前后呈現的兩種刺激是否相同，一半的刺激變化是類別空間關系的改變，如左右方向的變化，而距離不變；另一半的刺激變化是數量空間關系的改變，即方向保持不變，而距離發生變化。病人的表現與Laeng的預測一致：大腦左半球局灶性損傷病人在類別空間關系判斷任務中出現更多的錯誤，大腦右半球局灶性損傷病人在數量空間關系判斷任務中出現更多的錯誤。

腦損傷不僅會對知覺階段的空間關系加工造成影響，并且會對空間關系的構建造成影響。Laeng對患有空間關系構建不能癥的左／右單側腦損傷的病人的進行研究，試圖得到支持空間關系加工的半球差異的證據。實驗結果顯示這種空間關系構建能力的喪失或減弱的確發生在相對應的大腦單側損傷之后。左側大腦損傷會降低類別空間關系構建能力，而右側大腦損傷會降低數量空間關系構建能力。

Kessels等通過對腦損傷病人的物體位置記憶進行研究，認為物體位置記憶涉及兩種不同的記憶內容，一種為單純的具體精確位置記憶，這更多地利用數量空間關系編碼，而另一種為物體一位置捆綁記憶，即在某個位置上的是什么物體，這更多地利用類別空間關系編碼。因此，如果兩種加工在大腦兩半球存在分離，大腦左半球損傷的病人表現出更差的精確位置記憶，大腦右半球損傷的病人則表現出更差的物體一位置捆綁記憶。實驗結果與這一推測是一致的，這在一定程度上為分離提供了支持的證據。

6 對動物認知加工中空間關系加工的研究

對于動物的研究主要采用非人類靈長類動物和鳥類作為被試。但相對于大量采用人類被試的實驗來說，采用動物作為被試的研究數量依然很少。然而遺憾的是，所有的動物實驗研究都沒有在同一個研究中同時包括類別關系加工任務和數量關系加工任務，一個可能的原因是實驗前對動物訓練的困難。

Hopkins和Morris用半視野速示法研究了兩只經過語言訓練的大猩猩的視覺空間信息加工。盡管訓練相當復雜，但大猩猩的任務相當于判斷上／下的類別空間關系。對反應時的分析顯示，兩個被試出現了不同的結果，一個被試的結果為：當刺激呈現于左視野即在右腦加工時，無論被試用哪只手反應，反應時都比呈現于右視野時更短。另一個被試則只有在用左手反應時，才出現左視野偏向。這與Kosslyn的理論以及從人類被試實驗中得到的結果是不一致的。然而，只通過兩個被試的數據得出結論的做法是值得爭論的。

D'epy等曾于1998和1999年先后在兩項研究中分別研究了類別空間關系加工和數量空間關系加工中的腦半球偏向。實驗同時采用人類被試和非人類被試狒狒，為了對兩者得到的數據進行比較，實驗對兩者的條件進行匹配。實驗前需要人類被試和動物被試都要首先學習刺激與反應的匹配規則，因此，大量的學習與練習是否會對實驗結果造成影響是D'epy等人的研究中一個值得關注的問題。

實驗結果顯示：對于先前參與規則學習的人類被試，并沒有得到所期待的右半球偏向，而那些沒有學習經驗的人類被試得到了右半球偏向，然而這個偏向也只存在于前幾次的測驗中。對于動物被試，則沒有得到任何右半球偏向。因此一個值得討論的問題是：實驗獲得了不支持空間關系加工的腦半球偏向的證據，或只是練習效應影響了腦半球偏向的獲得。然而進一步的分析表明，與人類被試相同，動物被試也有一個左半球偏向和一個類別加工策略的使用。因此，一個可能的解釋是，在整個測驗的初期有一個短暫的右半球偏向，但很快地，這種偏向就因為使用從練習經驗中獲得的策略而被左半球偏向所取代，因為類別加工策略的使用會產生左半球偏向。總體來看，來自動物實驗的數據得到的是一個微弱的類別關系加工的左半球偏向，而沒有數量關系加工的右半球偏向。

Kosslyn最初在提出兩種空間加工的腦半球偏向時曾指出，類別空間關系加工的左半球偏向可能來自左半球的語言加工優勢。而動物被試研究中獲得的微弱的左半球偏向顯然并非來自語言加工的腦半球優勢。動物被試研究中的相反的結果是否與動物沒有語言加工的半球優勢有關系或者Kosslyn的理論不能用來解釋動物的空間關系加工過程。無論怎樣，對動物研究所獲得的不一致的證據都對Kosslyn的分離理論提出了挑戰。

7 較高水平認知加工中的空間關系加工

我們對空間關系的加工不僅僅只停止在單純的空間信息的獲得、感知和低水平的加工，這種空間關系信息加工參與了其它很多更高水平的認知活動或空間行動。對空間的感知理解和信息加工似乎是人類大腦最基礎和最重要的功能之一，它對人類其它眾多認知活動和行動都有貢獻。因此對人類較高水平認知加工中的空間關系加工的研究有助于我們進一步揭秘人類空間認知的機制。

7.1 表象

類別空間關系加工和數量空間關系加工的分離不僅出現在低水平的感覺或知覺加工中，并且出現在視覺表象加工中，視覺表象的產生涉及兩種不同的空間關系的加工，利用類別空間關系進行的表象產生出現左半球偏向，而另一種利用數量空間關系進行的表象產生則出現右半球偏向。

心理鐘表任務(mental clock task)是有視覺表象過程參與的空間關系加工任務。任務要求被試在沒有視覺刺激呈現的條件下通過想象鐘表表盤來完成兩種水平的空間關系判斷：類別水平的判斷要求被試判斷用于構成所給的時間的分針和時針是否同時落在提示的線索區域中；數量水平的判斷要求被視想象表盤上構成兩個時間的兩組分針和時針構成的角度哪個更大。Trojano等用fMRI研究了被試在完成心理鐘表任務時大腦的激活區域。實驗數據顯示，除了與視覺表象相關的區域被激活外，在類別水平的判斷任務中主要激活了大腦的左半球區域，而在數量水平的判斷任務中主要激活了大腦的右半球區域。

為了進一步提供在表象中兩種加工分離的證據，在近期一項研究中，Trojano等使用相同任務，運用rTMS方法對有表象參與的空間關系判斷進行研究。實驗結果顯示，在左后頂葉皮質接受rTMS刺激的被試，在類別關系表象任務中受到影響，而在右后頂葉皮質接受rTMS刺激的被試，在數量關系表象任務中受到影響。這與低水平上兩種空間關系加工任務中得到的大腦半球偏向是一致的。

兩種空間關系加工分離在表象產生任務中也得到了支持的證據。Reese和Stiles用表象產生任務測試了成人和兒童的在表象產生中兩種空間關系的分離。結果顯示，采用類別策略的表象產生過程得到的是一個左半球偏向，而采用數量策略的表象產生過程得到的是一個右半球偏向。

7.2 記憶

對記憶中空間關系加工的研究主要包括工作記憶和長時記憶中對物體位置的記憶。

Kessels等人用rTMS刺激干預法在對空間工作記憶的研究中發現，數量空間關系加工的反應時在右半球受到rTMS刺激時比在左半球受到刺激時更長，這說明右半球更多地參與數量空間工作記憶。

大多數采用Bar-Dot任務進行的空間關系加工的研究并沒有將真實物體與空間關系相結合，然而空間關系與真實物體相結合的空間關系判斷與單純的位置空間關系判斷有一定的區別，這種區別是造成類別和數量空間關系加工的分離出現不穩定的一個可能原因。

Kessels等發現在空間關系與真實物體結合的空間記憶加工過程中，左右腦半球的分工不再體現在類別和數量空間關系的分離上，而是左半球更多地參與物體位置捆綁，而右半球則更多地參與精確位置記憶。

van Asselen等最近用物體與空間位置關系判斷結合的任務對腦損傷病人對物體位置的兩種水平的空間關系記憶進行了研究，要求病人分別記憶類別水平的空間位置關系和數量水平的空間位置關系。結果顯示，單純的空間位置記憶出現了半球偏向，左半球損傷的病人的類別空間位置記憶能力減弱了，而右半球損傷的病人的數量空間位置記憶能力減弱了。但當空間位置記憶與物體相結合時，即要求記憶某個物體的空間位置時，這種半球偏向沒有出現。

然而視覺空間記憶中的空間關系加工卻得到了一致的腦半球偏向。Slomick和Moo用fMRI對視覺空間記憶中進行空間關系加工涉及的大腦區域進行掃描發現，主要參與視覺空間記憶的前額葉皮質的激活在兩種空間關系的記憶中也存在半球偏向，即左前額葉與類別視覺空間記憶關系更緊密，右前額葉與數量視覺空間記憶關系更緊密。

7.3 語言

Kosslyn最早認為類別空間關系加工的左半球偏向很可能與左半球的語言加工優勢有關，因為類別空間關系表征更多的為抽象的語言表征，如：上／下，左／右等。雖然全球超過6000種的語言在表達空間關系信息時存在著多樣性和差異，然而對存在語言表征的類別空間關系加工卻涉及一些共同的大腦區域，而這些左半球的區域與語言加工也存在著一定的關系。

Damasio等運用PET掃描的研究結果顯示，當講英語的被試命名呈現刺激中的物體之間的類別空間關系時，左上邊緣腦回(left supramarginarfinal gyrusSMG)被最大程度地激活。SMG在類別空間關系加工中的作用也被腦損傷病人的研究所支持。

Baciu等在一項fMRI研究中報告了左角回(leftangular gyrus，AG)在對空間關系的語言表征中的激活。左上邊緣腦回和左角回這兩個區域是人類大腦下頂葉的兩個分支區域，而這兩個區域被認為參與了多種抽象空間信息加工，這說明這兩個區域的確是同時參與了言語加工和空間關系加工，然而在猴腦中卻找不到與人類的這兩個區域相對應的區域，這可能因為猴腦中可能不存在對空間關系的語言加工區域。

盡管語言與空間關系表征有很密切的關系，然而語言表征與空間關系表征也存在著一定程度的分離。這種分離表現在當對一種空間關系的語言表征不存在時(如韓語中不存在對接觸／非接觸這種空間關系的表征)，這種空間關系也可以被知覺，記憶或進行更高水平的認知加工。Munnich等對講英語和講韓語的被試的空間關系加工進行了研究，研究發現，語言編碼與知覺或記憶編碼是分離的，即語言編碼不影響對空間信息的知覺和記憶，即使語言表征中不存在表征相應空間關系的詞語，被試仍然可以對這種空間關系進行知覺或記憶的加工。

雖然存在一定程度的分離，空間關系的語言表征卻能夠對空間關系的知覺，或更高水平的認知加工產生一定的影響。Levinson報告了講策爾塔(Tzeltal)語的被試很難區別刺激與刺激的鏡像，而這被認為是一種有類別空間關系加工的任務。因為在策爾塔語中沒有能夠區別這兩種刺激所需要的參照系的語言表征。這說明語言表征可以影響知覺或其它水平的認知加工。

7.4 空間關系加工指導的行動

空間關系加工的一個重要功能是指導人類的行動或空間活動。數量空間關系的加工與人類的行動有著緊密地聯系。

在空間活動中人類不僅進行類別和數量兩種不同的空間關系加工，并且會采用兩種不同的空間參照系：自我中心參照系(egocentric reference frame)，和環境中心參照系(fllocentric reference frame)。與類別與數量關系加工的分離相似，人們也發現了兩種參照系下空間認知加工在神經水平的分離：自我中心參照系加工涉及背側系統，而異我中心參照系則涉及腹側系統。

然而兩種參照系和兩種空間關系加工是可以結合的，兩種空間關系加工在兩種參照系下都可以進行：自我中心參照系下的類別空間關系加工，自我中心參照系下的數量空間關系加工，環境中心參照系下的類別空間關系加工，環境中心參照系下的數量空間關系加工。環境中心參照系下的空間關系加工提供一種穩定的不依賴于視點的信息，是一種相對的類別水平的空間關系加工，更多地用來判斷環境中物體間的相對位置關系。而自我參照系下的空間關系加工提供一種可變化的依賴于視點的信息，是一種較絕對的數量水平的加工，這更像數量空間關系的加工，而這種信息加工更多地用來指導直接的空間活動。

Carey等用腦損傷病人D，F，作為被試對參照系與兩種空間關系加工的關系及涉及的大腦區域進行了研究。D，F，的背側系統完好，而他在數量加工任務中的表現較好，這表明：數量空間關系加工存在于利用自我中心參照系的任務中，而這個任務更多地利用背側系統加工，而類別空間關系加工存在于利用環境中心參照系的任務中，而這個任務更多地利用腹側系統加工。

7.5 物體識別

一些研究者認為兩種空間關系加工的分離也存在于物體識別中。這種分離出現在識別不同類別的物體(如生物，非生物)，或當可變形的物體(如動物)處于不同的狀態時(正常或扭曲變形)。

Laeng等將可變形物體在兩種不同狀態時作為刺激呈現給被試，一種狀態為扭曲變形的，另一種正常狀態是指：對這種扭曲形態熟悉后，這種狀態對于被試來就說屬于正常狀態。Laeng等認為對扭曲變形物體進行識別需要對物體各部分之間的空間關系進行類別水平的空間關系加工，因此會出現一個加工的左半球偏向，而當這種扭曲形態熟悉后，就只需要進行整體加工，這更多地涉及數量空間關系加工，因此會出現右半球偏向。實驗結果與預測相一致。這個結果支持物體識別中兩種空間關系加工分離的存在。

物體也可以分為基礎水平的物體(大的概念類別，如狗)和樣例水平的物體(具體的樣例，如布列塔尼犬)。Laeng等用基礎水平的物體和樣例水平的物體作為刺激，對兩種水平物體的識別作了比較。當刺激呈現于右視野時基礎水平的物體識別地更快，而當刺激呈現于左視野時樣例水平的物體識別地更快。因此，基礎水平的物體識別更多涉及類別空間關系加工，因此出現左半球偏向，而樣例水平的物體識別更多地涉及更精確的數量空間關系的加工，因此出現右半球偏向。

Cooper和Brooks比較了對動物和基礎水平物體的識別過程的差異。對動物的識別出現了右半球偏向。因此，Cooper和Brooks認為對動物的識別涉及數量空間關系加工，而對基礎水平的物體識別則涉及類別空間關系加工。

在最近的研究中，Lag等比較了刺激特征對生物和非生物的識別的影響。實驗所用的刺激包括了清晰圖像刺激和模糊圖像刺激。對于非生物，不僅出現了左半球偏向，并且模糊圖像對非生物的識別造成了影響，這說明對非生物的識別需要利用高空間頻率，而圖像的清晰與模糊對生物的識別卻沒有造成影響。這個結果暗示，非生物的識別更多地利用類別關系，而生物的識別則更多地利用數量關系。

7.6 面孔識別

人類面孔，作為一種比較特殊的物體，對它的識別過程的研究為空間關系加工理論提供了一些一致的支持的證據。人類面孔的特殊性體現在它在類別水平的高度相似性，無論人種，人類面孔的組成包括相同的部分，并且各部分之間的關系也趨于穩定，如眼睛始終在鼻子上方，嘴始終在鼻子下方。因此，用空間關系理論來解釋，人類面孔的各部分之間的類別空間關系是不變的，那么人類對不同面孔的識別就只能依賴于各部分之間的精確的數量空間關系，很明顯，不同面孔的各部分之間的空間距離是不同的。因此，如果對數量空間關系加工有右半球偏向，面孔識別任務應該出現一個右半球加工優勢。

一些研究采用半視野速示法讓被試對呈現在左或右視野的人類面孔進行識別，結果發現，當刺激呈現于左視野(大腦右半球)時比呈現于右視野(大腦左半球)時被試的識別更快也更準確。

對患有熟悉面孔失認證病人的研究也發現了右半球似乎比左半球在面孔識別中起著更重要的作用。患有大腦雙側損傷的病人和右半球損傷的病人存在面孔識別缺陷，而僅僅患有左半球損傷的病人則沒有發現這種缺陷。

認知神經科學的研究，如ERP，腦成像研究發現：在面孔識別任務中，大腦右半球的顳葉皮質有明顯的激活，這進一步提供了右半球在面孔識別中存在優勢的證據。

一些研究者認為，大腦右半球更偏向于加工整體的圖形信息；而左半球則更偏向于加工獨立的局部的信息。這可能是造成面孔識別出現右半球優勢的一個可能的原因，因為對于數量空間關系加工更多的涉及整體圖形信息的加工。

8 不支持分離的證據以及半球偏向不穩定的因素

雖然眾多研究得到了類別和數量空間關系加工在大腦左右半球的分離，然而也有相當數量的研究沒有得到一致的結果，或者沒有發現半球偏向，造成了分離的不穩定。這種不穩定使關于Kosslyn的理論的證據出現了一個略顯混亂的局面。這可能和不同研究所采用的實驗方法，采用的被試和使用的刺激等因素有一定的關系。

8.1 練習效應

Banich和Federmeier的研究發現，隨著練習的增多，在空間關系加工過程中被試會獲得一種或多種策略，這些策略不僅包括在數量空間關系加工中使用類別加工策略，還包括運用屏幕或刺激背景上的參照點來幫助確定空間關系或位置。因此，這些策略的使用會使半球偏向減弱甚至消失。

在Kosslyn 1989年的研究中，也曾發現了隨著實驗的進行，練習次數不斷增多，被試獲得并運用了類別加工策略或者分類的方式來對數量空間關系進行加工，這樣，數量加工的右半球偏向就會被左半球偏向所取代，或者右半球偏向減弱直至被左半球偏向所掩蓋了。

然而類別加工策略的獲得和使用似乎并不是造成半球偏向消失的唯一原因，Michimata發現，不僅數量空間關系加工的右半球優勢會隨著練習的增加而消失，并且類別關系加工的左半球偏向也會隨著練習的增加而消失。

而在D'epy等1998和1999年采用動物被試的研究中，由于實驗前大量的規則學習，導致任何大腦半球偏向都沒有出現。

8.2 任務難度

Bruyer等認為空間關系加工的腦半球偏向并非來自于兩種加工的不同，而是任務難度的影響，即大腦左右兩半球偏向于處理不同難度的任務。盡管Kosslyn之前曾用“翻轉聯合”的邏輯證明任務難度并不是造成半球偏向的原因，但的確有研究表明任務難度會影響半球偏向的獲得。Sergent的研究也表明，在采用Bar-Dot任務的數量空間關系加工中，點與棒之間的距離變化會對任務難度造成影響。Parrot等人的研究則發現了難度變化對半球偏向獲得的影響。較難的數量空間關系加工任務能夠產生右半球偏向，而較簡單的數量空間關系加工任務得到的則是左半球偏向。

8.3 被試左右手偏好的影響

Kosslyn曾在早期的一項研究中比較了左利手被試和右利手被試得到空間關系加工半球優勢的可能性的大小。右利手的程度與得到空間關系加工半球偏向的可能性存在正相關，即右利手程度越大越容易出現空間關系加工的半球偏向，且這種偏向也越顯著。

Laeng和Peters在他們的研究中也試圖比較左利手被試和右利手被試的空間關系加工的半球偏向。右利手被試得到的結果與Kosslyn的理論相一致，而左利手的被試則沒有得到半球偏向，即刺激呈現于左右兩個視野時被試的表現是相同的。

8.4 反應方式

空間關系加工任務中的反應方式有手動反應和語音反應兩種。半球偏向的獲得可能并非來自于空間關系加工過程的差異，而是來自于大腦半球對兩種不同反應方式的偏好。Bruyer等發現如果采用語音反應，就會減小兩種空間關系加工的大腦半球差異。

8.5 反饋

反饋信息可以使被試對自己的表現進行改進，這在某種程度上有些類似于練習。Bruyer等發現去除反饋信息似乎使兩種空間關系加工的腦半球差異消失了，但去除反饋似乎并不會對反應的錯誤率和反應時造成影響。

8.6 刺激顯示特征

Kosslyn的神經網絡曾模擬了感受野的大小對兩種空間關系加工的影響。大腦左半球更偏向于接受來自具有較小感受野的神經元的輸出，因此在高空間頻率刺激信息的類別空間關系加工中出現優勢。相反地，大腦右半球更偏向于接受來自具有較大感受野的神經元的輸出，因此在低空間頻率刺激信息的數量空間關系加工中出現優勢。

不同背景和刺激組合也可以影響半球偏向的出現。大腦半球偏向只有當白色背景和黑色刺激的組合時才會出現。這種對比度的影響可能與感受野和空間頻率的影響相關。

Okubo和Michimata在2002年研究了刺激中的空間頻率對空間關系加工的影響，在刺激中除去低空間頻率削弱了右半球加工數量空間信息的表現。這個結果暗示刺激中的低空間頻率是使數量關系加工任務中右半球偏向出現的一個可能的原因。2004年，兩人又對類別數量加工中的高空間頻率的作用進行了更深入的研究，得到了與數量空間關系加工相對應的結果，在刺激中過濾去高空間頻率削弱了左半球加工類別空間信息的表現，因此刺激中的高空間頻率是使類別關系加工任務中左半球偏向出現的一個可能的原因。

9 總結

自Kosslyn提出兩種分離的空間關系加工系統理論以來，涉及多領域的眾多研究試圖用不同的方法為分離提供證據，眾多獲得了兩種空間關系加工的腦半球偏向的研究支持了Kosslyn的理論：類別空間關系加工和數量空間關系加工涉及不同的大腦神經區域：類別空間關系的加工有左半球偏向，而數量空間關系的加工有右半球偏向。然而目前研究中大腦半球偏向的獲得卻仍然不穩定，它受到多種實驗因素的影響。

兩種空間關系加工的大腦半球偏向可能與人類大腦左半球的語言加工優勢有一定關系，因為類別空間關系加工運用了語言表征。另一個可能的原因是大腦兩半球對具有不同感受野神經元的輸出信息的加工偏向，即左半球更偏向于加工來自具有小感受野神經元的輸出信息，而右半球更偏向于加工來自具有大感受野神經元的輸出信息。這與大腦左右半球對空間頻率的加工偏向是一致的。而另一種解釋是：大腦右半球更偏向于加工整體的圖形的信息，而左半球則更偏向于加工局部的不連續的信息。

然而對造成大腦半球偏向的原因的研究應該得到更多的關注，并且需要更多直接針對原因的研究。因為對原因的研究有助于我們了解兩種空間關系加工的分離是否存在，如果能夠找到大腦半球對不同信息的加工偏好與兩種空間關系加工性質之間的對應關系，那么，兩種空間關系加工在大腦半球水平的分離就得到了更有力的支持證據。

得到腦半球偏向的不穩定性很可能說明這種分離至少很可能只是相對的而不是絕對的。兩種空間關系的加工除了一定程度的分離外，一定還存在著某些聯系。Niebauer的一項研究提供了兩種空間關系加工可能存在的一些聯系，類別空間關系加工似乎是數量空間關系加工的早期階段，并且數量空間關系加工可以受益于類別空間關系，先前的類別空間關系可以易化數量空間關系加工。

空間認知是人類最基本的認知能力之一，對人類空間信息加工的研究不僅對我們了解人類這一最基本的認知能力有直接的幫助，并且對我們認識人類其它認知能力有一定的促進作用，因為人類眾多的認知活動和行動都不同程度地涉及空間信息的感知和加工。無論人類對空間關系的加工是否分為類別空間關系加工和數量空間關系加工兩個不同的系統，也無論這兩種加工是否涉及不同的大腦神經系統，或者這種分離的程度如何，對兩種空間關系加工系統的區分對我們認識復雜的人類空間認知無疑是有好處的。然而，不可否認的是，人類的大腦畢竟是一個統一的整體，兩種空間關系在大腦中是如何協調和整合來處理更高水平的空間信息是我們必須探索的問題。