低氧環境下的心理旋轉效應

許文 廣州大學教育學院 廣東廣州 510006

心理旋轉首先由謝巴德和梅茨勒提出討論.在他們的研究中,要求被試判斷所呈現的兩對三維立方體是否在形狀上一致.結果發現反應時間隨著兩個立方體在圖像平面內外的角度差異而線性增加.謝巴德和他的同事解釋說,心理旋轉是一種心理過程,在這種過程中,人們形成一個物體的心理表征(模擬物),然后將其旋轉到垂直位置或預先學習的方向,以消除判斷物體時的角度差異(例如,奇偶性判斷,左右手判斷).繼謝巴德和梅茨勒的研究之后,通過應用各種刺激的改良任務,行為和神經研究都進一步探索了心理旋轉的機制.這些刺激可以廣泛地分類為外部對象(例如,字母、數字)、人類形狀(例如,手部、其他身體部位)和復雜場景(例如,風景、場景).在目前的研究中,主要集中在兩個字母形式的外部對象心理旋轉.正常-鏡像字母奇偶性判斷任務是自庫珀和謝巴德(1973)以來的經典實驗范式,被用來研究心理旋轉的認知機制.為了決定字母是否是鏡像或正常,必須將其旋轉到其垂直位置,換句話說,心理旋轉對于奇偶判斷是必要的.因此,較大的旋轉字母需要較長的響應時間.然而,在奇偶性判斷中,這種依賴于響應時間的函數表現出曲線趨勢,這偏離了謝巴德和梅茨勒發現的經典線性函數.這種現象可能是由旋轉和非旋轉過程的混合引起的.也就是說,從垂直旋轉的小刺激相比于比大旋轉刺激需要較少比例的心理旋轉,致使在小角度差異和垂直之間響應時間的無差異.以往的心理旋轉研究主要集中在刺激角度的影響上,但很少有人指出正常刺激和鏡像刺激的心理旋轉(即刺激版本的影響)之間的不同機制.在我們的日常生活中,鏡子的物體識別和旋轉也是重要的,例如在駕駛和航空的條件下.心理旋轉是衡量空間智能的重要標尺之一,也是當前空間認知領域中備受關注的重要課題.

目前,空間認知加工研究日益受到重視, 人們對空間能力的認識源于對機械能力和操作能力的研究. 美國神經心理學家Gordon根據大腦半球功能側化理論提出"認知特征",指出個體在言語和視覺空間兩大認知功能方面表現出相對優勢特征,不同半球的信息加工模式也可能同人類作業績效的差異有關.腦功能側化理論也認為人的大腦存在兩種不同性質的信息加工模式,不同的信息加工模式可以通過言語和空間這兩大認知功能加以表征.Gordon等研究發現視覺空間能力或言語序慣性能力測驗成績是某些職業群體取得卓越成就的一個重要特征,如空間能力與醫學生手術操作能力、飛行職業、建筑職業等密切相關.因此,某種特定的職業很可能要抽取或保留人們的某種認知特征,而這種特定的認知特征恰恰是反映出了某個特定任務與另外一種任務在作業績效方面差異的一個主要因素.在航空航天領域,航空交通運輸管理專業崗位對于保障飛行安全具有重要的影響,交通管制員必須對視屏中顯示的信息特別是空間視覺信息的加工表現出很高的水平.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中,空間視覺化作為空間認知能力的一個維度,在這些特殊職業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.

當人們在高海拔地區或其他低氧條件下生活和工作時,缺氧是不可避免的.與海平面相比,高海拔地區的人經常由于缺氧水平而出現一些認知缺陷.許多研究已經探討了缺氧對人類認知功能的影響,如空間注意力和記憶、感知、語言,執行功能等.高空低氧是航空事業遇到的嚴重醫學問題之一,盡管現代航空條件下缺氧的防護問題已經得到很好的解決,但高空缺氧所致航空事故仍時有發生,嚴重威脅飛行安全.研究顯示,缺氧體驗訓練可提高空勤人員早期識別缺氧和正確處置缺氧危險情況的能力,故世界各國普遍重視和廣泛開展缺氧體驗訓練.

先前的研究已經發現了一些有關低氧對心理旋轉的證據.在一項研究中,Zhang等人發現在高海拔地區(2300~4400m)生活兩年比海平面的人需要更長的心理旋轉時間,這一效應與額前灰質的體積有關.而另一項研究在相當4500米模擬缺氧狀態下(不到一個小時內)并沒有觀察到心理旋轉障礙.在上述兩項研究之間的不一致結果可能是由于暴露于缺氧的持續時間.影響缺氧和認知損害之間關系的另一個因素是任務難度.例如,Wang等人發現空間注意加工的低氧效應僅發生在高負載條件下,導致高原條件下加工能力耗盡,P3振幅較小.Bartholomew等人也發現缺氧暴露確實降低了高記憶負載讀回任務能力.這些結果表明,由于缺氧,認知資源可能不足以處理困難任務中的信息.然而,先前關于心理旋轉的研究沒有具體說明心理旋轉的應用范式和認知過程.因此,對心理旋轉的低氧效應的具體神經機制尚不清楚.此外,許多研究發現,缺氧損害大腦區域,包括頂葉,這與心理旋轉有關.因此,我們認為缺氧可能影響心理旋轉過程.

因為在低氧環境中的人可能遭受生命和財產損失,低氧引起的空間能力障礙如果存在,這個問題也與航空和駕駛有關.由于空間能力在日常生活中起著重要的作用,因此未來研究有必要探討低氧對這一能力的影響.