曲 靜 鐘建軍
(內蒙古師范大學心理學院,呼和浩特010022)
早在1880年,高爾頓就提出了人類對數字的描述和思考是在心理數字線 (mental number line,MNL)上表現出來的。而他文中所提到的關于參與者的一些說法,如“我總是把數字畫成從左到右的直線”(Galton,1880),表明高爾頓已經意識到數字線的方向是從左到右的。關于數字空間關系的深入研究最早開始于1990年,Dehaene等人(1990)通過數字大小比較任務發現,當被試對數字進行反應的時候,對較小的數字按左鍵反應更快,對較大的數字按右鍵反應更快。隨后他們改進了實驗范式,采用奇偶判斷任務和被試內設計對該現象進行進一步探討(Dehaene,Bossini,&Giraux,1993)。結果發現,對數字的奇偶判斷同樣出現以上現象,即對小數(1~4)左手按鍵的平均反應時快于右手,對大數(6~9)右手按鍵的平均反應時快于左手。Dehaene將這種效應稱為空間-數字的反應聯合編碼效應(s patial n umerical a ssociation of r esponse c odes effect,SNARC效應)。這一發現為數字和空間的關聯提供了充足的證據,目前SNARC效應已經成為研究數字和空間關系的重要方式。
自從Dehaene和同事(1993)首次在成人中發現SNARC效應以來,學者們進行了許多研究試圖澄清有關數空聯結能力的兩個問題。第一,它是先天存在的還是后天形成的?第二,它是如何以及何時發展的?其中包括對嬰兒、兒童、靈長類和其他幼小動物(如雛雞)的行為和神經成像的研究。針對前一個問題,支持先天存在觀點的研究者通常以沒有語言能力的嬰兒和動物為研究對象,以證明數空聯結能力是普遍存在的,甚至在沒有特定文化影響的情況下也會發生。相反,支持后天形成觀點的研究者關注的是數空聯結能力的發展方向在不同文化中是有差異的,這可能受閱讀、書寫、手指計數等文化習慣的影響。而對于后一個問題,研究者則對不同年齡階段的被試進行研究,以探索數空聯結發展軌跡,試圖形成一個發展框架。總的來說,進一步了解數空聯結的物種特異性、發展軌跡和影響因素將有助于闡明其潛在機制。
研究者們為了更好地探索語言在數空聯結過程中的作用并排除文化因素的影響,陸續開展了對動物的數字能力的研究。例如,Rugani(2007)和他的同事首次在剛出生幾天的動物身上研究了數字能力,并發現了從左到右的心理數字線。實驗中,他們訓練5天大的雛雞,在其起始位置矢狀放置的10個相同的位置中,識別第3、第4或第6個位置。在測試時把一系列位置旋轉90°使其與雛雞的起點水平,已學會選擇第4個位置的雛雞會優先從左側靠近第4個位置。這一發現在新生雛雞和成年北美星鴉中得到了進一步的證明。研究者以相同的實驗方法進行研究,結果發現,兩個物種都會優先選擇性地從左端而不是右端開始識別正確的第4個(或第6個)位置(Rugani,Kelly,Szelest,Regolin,&Vallortigara,2010)。這表明鳥類存在固有的向左的空間傾向,也與人類從左到右的心理數字線相似。Rugani等人(2015)發現,當雛雞被迫向那些刺激物移動以獲得食物獎勵時,它們對向左邊展示的少量食物和右邊展示的大量食物表現出偏好。即雛雞可以將較小的數量與左側聯系在一起,較大的數量與右側聯系在一起,也表現出了類似SNARC的效應。這是未經訓練、沒有經驗的動物出現心理數字線的第一個證據。
針對這一現象,有研究者認為鳥類兩半球間的聯系很小(胼胝體缺失),這導致來自空間一側的視覺信息幾乎完全不在對側半球得到體現(Larsson,2013;Rogers,Vallortigara,&Andrews,2013)。因此,盡管Rugani等人在鳥類中發現了類似SNARC的效應,但驅動這種效應的機制可能不同于人類。而探索猴子是否在空間上定位數字,可能會產生更多關于人類數字空間聯結的進化起源信息。
Drucker和Brannon(2014)首次探索了靈長類動物的數字空間映射。研究使用Rugani等人(2010)的有序旋轉范式,訓練四只成年雄性恒河猴從5個垂直排列的刺激底部選擇第4個位置,改變刺激的間距,測試恒河猴對旋轉90°成水平線的相同5個刺激的響應是否顯示出定向的數字空間映射。結果發現,恒河猴優先從左側而不是右側選擇第4個位置,說明它可以將數字映射到空間上。為了進一步探索這種表征的進化起源,Adachi(2014)考察了最接近人類的靈長類動物黑猩猩是否以與人類相似的方式將獲得的序列映射到空間。實驗中黑猩猩接受了一項數字序列任務的訓練,在測試時,只有兩個數字(1和9)水平排列。在一半的實驗中,1位于9的左側,而另一半的實驗中1位于9的右側。結果顯示,當1在左邊,9在右邊時,它們的反應比1在右邊,9在左邊時快。這一結果表明,黑猩猩和人類一樣,會自發地將一個習得的序列映射到空間。最近的一項研究同樣在大猩猩中發現了數量的空間映射,實驗要求在一種情況下選擇一對點陣中較大的數量,在另一種情況下選擇較小的數量,結果也顯示出任務指令顛倒后空間方向的靈活逆轉(Gazes,Diamond,Hope,Caillaud,Stoinski,&Hampton,2017)。
綜上所述,對靈長類動物數字空間映射的研究表明,人類認知中數字和空間之間的聯結并非純粹是文化經驗的結果,而是具有深厚的進化根源的。因為靈長類動物不進行讀、寫、算等影響數空聯結的文化活動,也可以將數字和空間聯系在一起,而且這種聯系產生于經驗之前。
雖然數字與空間聯系的現象在成人中已廣泛存在,但對這一現象的起源及發展仍知之甚少。普遍接受的觀點是,這種數字空間的聯結是人類文明的產物,文化、符號知識和數學教育是這種現象的根源。de Hevia等人(2010)的一項研究觀察了缺乏符號知識和數學教育的7個月大的嬰兒面對從左到右和從右到左排列的矩形組成的增加和減少序列的反應。結果顯示,嬰兒可以檢測到從左到右排列的三個矩形序列的增加,而不能檢測到其減少。這些發現表明,人類早期傾向于將數字順序與從左到右的空間方向聯系起來,這種傾向先于符號能力、數學教育以及閱讀和寫作技能的獲得。為了盡可能避免生活經驗的影響,de Hevia等人(2017)又進行了一項研究,他們使用音調遞增和遞減序列來觀察0~3天大的嬰兒是否能將遞增序列與右側空間聯系起來,將遞減序列與左側空間聯系起來。結果顯示,即使是剛出生的嬰兒也能將“少”聯想到左邊的空間,“多”聯想到右邊的空間。
以上關于剛出生嬰兒的研究進一步證明了人類數字空間聯結能力是有生物學基礎的,但生物因素顯然不能完全解釋這種現象,為了進一步探索數空聯結是何時開始以及怎樣形成的,學者們陸續開展了以兒童為被試的發展性研究。
Berch等人(1999)首先對兒童的SNARC效應進行了探討。他們采用數字奇偶判斷任務,要求二、三、四、六和八年級的學生對阿拉伯數字0~9做出快速的奇偶判斷。結果發現,兒童到了9歲才能表現出SNARC效應。Bachot等人(2005)測量了視空間殘疾組的9歲兒童在數字比較任務(小于或大于5)中的SNARC,并將其與匹配組的9歲兒童進行比較。結果發現,對照組9歲兒童有SNARC效應,而視空間障礙組的9歲兒童無SNARC效應。Van Galen和Reitsma(2008)使用了數字大小判斷和奇偶判斷任務,對7歲、8歲和9歲兒童以及成年人進行了這種空間聯結發展情況的研究。結果發現,當數字大小與任務有關時,SNARC效應出現在所有年齡組。但當數字大小與任務無關時,SNARC效應只在9歲兒童和成年人中被發現。這些結果表明,兒童7歲起就已經能夠將數字與空間進行聯結,但是要到9歲之后才能夠表現出數字空間的自動聯結。
另外,有研究使用了非符號數量刺激探究兒童的數空聯結能力。例如Patro和Haman(2012)對96名兒童(平均年齡為4歲)使用了集合比較任務,每個刺激由兩組矩形組成,每組矩形有2到10個不等,兩組矩形的數量比例為1∶2,2∶3,3∶4。每組矩形的排列、形狀和顏色都是隨機的,大小也各不相同,但是矩形的總面積是恒定的(750mm2)。兒童需要判斷兩組矩形的數量哪個更多或者更少。結果表明,兒童在非符號數量比較中對屏幕左側的少量矩形和右側出現的大量矩形的反應更快。說明了符號數字系統并不是兒童數空聯結的唯一基礎。在非符號數量比較中也會出現方向性的數空聯結,即使是那些還沒有學會計數的兒童。
盡管最近有研究者進行了數空聯結的發展研究,但對于這種發展軌跡究竟如何還沒有達成共識。相反,這些研究強調,小學生數字空間聯結能力的發展是可變的和復雜的,很可能是內在和外在因素相互作用的結果。
Dehaene等人(1993)認為,SNARC效應的方向取決于被試后天獲得的閱讀書寫方向。據此,他們進行了相應的實驗研究。結果顯示,說法語的人表現出標準的SNARC效應,而說伊朗語的人表現出相反的SNARC效應,分別對應于各自從左到右和從右到左的閱讀書寫方向。Shaki和Fischer(2008)的研究進一步擴展了這一發現,即通過測試同時使用俄語(從左至右書寫)和希伯來語(從右至左書寫)的雙語者,發現參與者在閱讀俄語文本后表現出從左到右的SNARC效應,而在閱讀希伯來語文本后表現出從右到左的SNARC效應。Shaki等人(2009)繼續進行了跨文化的研究,加拿大人從左到右閱讀單詞和數字,顯示出典型的SNARC效應;巴勒斯坦人從右到左閱讀單詞和數字,表現出了反向的SNARC效應;以色列人從右到左讀單詞,但從左到右讀數字,他們沒有表現出空間數字聯結。實驗結果進一步表明,數字和單詞這兩種閱讀書寫習慣都有助于形成數空聯結的方向。
以上研究結果說明,不同文化環境下所進行的不同定向文化活動確實會對人們的數空聯結產生影響,但這并不意味著數字空間表征的方向是由文化決定的。現有的研究僅可以說明的是,長期暴露于特定的環境線索會加強數空之間的聯結。
數字信息不僅能夠以阿拉伯數字、漢語數字、羅馬符號、手語、點陣的形式表達,也可以通過視覺、聽覺等方式呈現。以往研究指出不同數量表征形式引起的數空聯結程度是存在差異的,具體表現在聯結強弱和反應速度上。Nuerk等人(2005)采用阿拉伯數字、德語數字單詞、聽覺通道下的德語數字單詞和規則點陣4種刺激進行數字奇偶判斷任務,結果發現以上4種刺激類型都出現了SNARC效應,但反應時卻存在顯著差異。其中,被試對阿拉伯數字的反應速度最快,數字和點陣次之,聽覺通道下呈現的數字最慢。另外,Hesse和Bremme(2017)在研究中以阿拉伯數字和數字單詞為刺激材料也發現了不同強弱程度的SNARC效應。由此可以看出不同數量表征的形式也會對數空聯結產生影響,不過這種影響只是程度上的,不能決定SNARC效應的出現與否。
研究數空聯結的任務形式有很多,包括數字大小判斷、奇偶判斷、參考目標判斷、顏色判斷等。根據對數量信息的加工程度可以將這些任務分為兩類。即當個體執行直觀的數字加工任務(如參考目標判斷、大小判斷、奇偶判斷等)時,需要對數字的大小和奇偶信息直接進行加工才能作出反應,因此加工程度較深。而在執行一些加工程度較淺的任務(如顏色、方向判斷等)時,被試則不需要對數字進行判斷性的加工,只需對目標刺激做出反應即可。以往研究顯示,采用不同加工深度的任務得到的SNARC效應是有差異的,具體表現為SNARC效應的方向。有研究發現(沈模衛,田瑛,丁海杰,2006),當對數字進行較淺程度的加工時(僅僅注視數字),數字在水平方向上的空間表征被激活,但并未激活在垂直方向上的空間表征。而Mtiller和Schwarz(2007)在研究中使用深加工任務,結果表明存在垂直方向的SNARC效應。從以上研究中可以看出,不同數量表征形式的SNARC效應的方向受到了任務加工深度的影響,但以往的研究并未得到一致性的結論,因此,針對該領域還需要考慮多方面的因素進行深入研究。
雖然以往關于數字和空間的獨立研究結果不同程度地暗示了頂葉皮層在數字和空間處理中的作用,但左右后頂葉皮層在數空聯結中的關鍵作用的第一個因果證據來自對半空間忽視患者(Zorzi,Priftis,&Umiltà,2002)以及假性忽視的健康參與者的研究(Umiltà,Priftis,&Zorzi,2009)。Zorzi等人(2002)證明,當要求這些患者口頭報告給定范圍內的中間數字時,他們表現出向右偏差(例如,錯誤地報告14是11和15之間的中點)。對健康參與者(即那些沒有腦損傷的人)的左右后頂葉皮層進行重復經顱磁刺激,結果出現了和半空間忽視患者類似空間忽視的現象。
隨后研究者們針對數空聯結現象進行了一系列的神經影像學研究。Ruscon等人(2007)發現應用于后頂內溝的重復經顱磁刺激降低了SNARC效應的強度。Umiltà等人(2009)發現除了更靠后的頂骨成分之外,額葉成分也參與了對數字刺激引起的內源性注意力轉移的反應。大腦的其他更靠前的區域,特別是右額下回和右額視野也與心理數字線的空間定向 有 關 (Rusconi,Bueti,Walsh,& Butterworth,2011;Rusconi, Dervinis, Verbruggen, & Chambers,2013)。Cutini等人(2014)使用功能性近紅外光譜進一步建立了左右后頂葉皮層中潛在空間和數字認知的區域之間的功能關系。在一項數值大小比較任務中,他們發現除了左側角回激活之外,受數值距離調節的雙側頂內溝中與SNARC效應相關的血流動力學反應增加。最近一項使用功能性磁共振成像的研究試圖根據數值大小或空間位置明確區分具體的功能區域(Kanayet,Mattarella-Micke,Kohler,Norcia,McCandliss,&McClelland,2018)。結果表明,前和后頂內溝之間存在功能分離,前者與數值大小相關,后者與空間定位相關。這一發現可能有助于解釋頂內溝和后頂葉皮層在數值和空間處理研究中的應用。
以上結果顯示,數空聯結的生理基礎是一個分布式額頂網絡,而針對這些功能區域網絡的形成過程尚不清楚,因為目前關于發展中個體數空聯結的直接神經影像學證據非常少。以往關于動物和成人的神經影像學研究表明,數空聯結受到了先天的、生物進化因素的重要影響。另外,文化學習等生活經驗也可能發展了前額皮層、角回、頂內溝區域之間神經的連通性。因此接下來仍然非常需要額外的研究來具體和直接地證明發展中個體數空聯結現象的神經生理基礎的形成過程。
最具有代表性的視覺空間編碼觀是心理數字線假設(mental number line)。該假設認為數字在空間上沿著心理數軸(MNL)從左到右被表征。這一觀點在數字認知的研究中是普遍存在的(Dehaene,Bossini, & Giraux, 1993; Hubbard, Piazza,Pinel,&Dehaene,2005)。然而,也有研究者提出了MNL的不足,例如,參與者對數字5的判斷速度是由實驗中數字的范圍來調節的。當數字范圍為1~5時,參與者對5的反應右邊比左邊快,但當數字范圍為5~9時,左邊比右邊快 (Fias,Brysbaert,Geypens,&D’Ydewalle,1996)。在一項研究中,Bachtold,Baumuller和Brugger(1998)訓練參與者將數字想象成模擬鐘面上的時間,并讓他們判斷所呈現的時間是在參考時間之前還是之后(參考時間:6點)。參與者表現出從右到左而不是從左到右的SNARC效應。在另一項研究中,在完成奇偶性判斷任務之前,參與者被要求閱讀出現在行首(左)和行尾(右)附近的大數和小數(左小右大,或者相反)的文本。結果發現,閱讀體驗減弱或逆轉了從左到右的空間數字聯結(Fischer,Mills,&Shaki,2010)。這些發現表明數空聯結的可塑性和靈活性,MNL無法解釋這些現象,因為該理論認為數字與空間之間的映射具有長期的穩定性。
一些研究者認為,SNARC效應是語言標記或編碼的結果。例如Proctor等人(2006)提出了極性對應理論,該理論認為左與小/奇數呈負極性,右與大/偶數呈正極性。數字與空間之所以會聯結是因為刺激和反應的極性產生了重疊,因為一致性的極性導致了更快的反應。所以左手對小數反應較快,右手對大數反應較快。這種語言編碼的解釋與可測量的MARC效應相關,即奇偶判斷任務中,被試左手對奇數反應更快,右手對偶數反應更快(Nuerk,Iversen,&Willmes,2004)。Berch等人(1999)發現了6年級和8年級兒童的MARC效應的證據,但2~4年級的兒童沒有,這表明隨著年齡的增長,語言因素的主導地位越來越大。Imbo等人(2012)的研究結果顯示,發育中的兒童(9歲和11歲)的言語編碼比空間編碼作用更強。因此,雖然語言和視覺空間線索都可能作為外部線索來加強數空聯結,但這并不是造成數空聯結的根本原因。
這種基于不同維度正負極激活的理論可以解釋雙分類任務中出現的許多效應,但是它卻無法解釋數字空間表征過程中出現的按照數字大小排列的心理數字線,同樣也無法解釋倒置的SNARC效應(王姍,潘運,蘇元平,2018)。并且由于此理論對正負極性的抽象定義以及對言語能力的高水平要求,使得極性理論更適合于成年人,對發展中的兒童缺乏可操作性。
還有一些研究者認為,數字和空間之間的關聯是短期的而不是長期的,并且是在任務執行期間建立的 (Fias,van Dijck,&Gevers,2011;Fischer,2006;Fischer,Mills,&Shaki,2010;van Dijck&Fias,2011)。以上解釋是基于van Dijck和Fias(2011)研究結果的發現,被試對序列的起始位置左手反應更快,更準確,對序列末尾位置右手反應更快,更準確。這種效應同時發生在數值和非數值刺激中。基于這一發現,Van Dijck和Fias認為執行SNARC任務的參與者在工作記憶中將呈現的數字編碼為一個任務集,該任務集存儲所呈現的刺激和所需的響應。較小的數字自然占據較早的等級,從而獲得短期的左側關聯,而較大的數字就占據較晚的等級,從而獲得短期的右側關聯。小與左、大與右的空間關聯是由于參與者利用數字的現有序數屬性,使1先于2,2先于3,以此類推,SNARC效應即反映了這個暫時的序數信息。
工作記憶理論可以更好地解釋以下現象。首先,當數量大小與任務完全無關時,SNARC效應也會出現。第二,SNARC效應的范圍依賴性。第三,SNARC效應也會發生在具有內在有序結構的非數字刺激(字母表的字母、音樂音調、必須學會排序的任意刺激)中。雖然這些現象很難用心理數字線理論(認為數空聯結是長期形成且穩定存在的)來解釋,但鑒于工作記憶理論強調的不是數值而是系統地分配到一個序列位置,所以該理論可以解釋這種靈活性。
大腦中存在一個廣義的量值系統,在這個系統中,一個數量級域的變化(例如,大小的增加)會影響其他域的變化(例如,時間的延長)。神經影像學研究顯示,在處理數字(Dehaene,Piazza,Pinel,&Cohen,2003)、持 續 時 間(Pouthas et al.,2005)和 空間/長 度 (Pinel,Piazza,Le Bihan,& Dehaene,2004)時會引起后頂葉皮層內重疊區域的激活。行為研究也顯示了這個系統中涉及的幾個維度之間的相互作用,如數量和空間(Dehaene,Bossini,&Giraux,1993;Winter,Matlock,Shaki,&Fischer,2015)、數量和物理大小(Reike&Schwarz,2017)、時間和空間(Bonato,Zorzi,&Umiltá,2012)、物理大小和空間(Wühr&Seegelke,2018),以及其他數量級之間的相互作用(Macnamara,Keage,&Loetscher,2018)。
以上這些發現可以作為共享加工理論的證據,說明不同的數量級(例如,時間、空間、數字)共享位于頂葉皮層的共同神經處理系統(Bueti&Walsh,2009;Walsh,2003)。在同時呈現多個量級域的任務中,量級域之間的一致性有助于任務的執行(Wühr&Seegelke,2018),而不一致性會削弱任務的表現(Coull,Charras,Donadieu,Droit Volet,&Vidal, 2015; Xuan, Zhang, He, & Chen,2007),即相關量級域的判斷受到來自另一個域的與任務無關的量級信息的影響。雖然共享加工理論從神經和心理學的角度描述了成年人的量級處理過程,但目前的研究還不足以明確數量、時間、物理大小、空間等維度之間的關系是自上而下還是自下而上的,還需進一步探索以幫助理解量級在空間數值發展中的作用。
關于SNARC效應的本質,目前的理論模型都有其解釋的局限性。很長一段時間以來,心理數字線模型一直都被認為是解釋數空聯結能力的經典理論。但隨著越來越多的研究結果中展現出的SNARC效應的靈活性,使得該理論不再適用。繼而就有研究者提出了極性理論來解釋這種靈活性,但該理論又無法說明數字空間表征過程中按照順序排列的心理數字線問題。隨著數空聯結能力研究的推進,研究者們發現空間與順序性的符號之間也存在類似的關系,為了更好地解釋這種現象,有研究者提出了共享加工理論和工作記憶模型。雖然這兩個理論可以解釋內在有序結構的非數值刺激的數空聯結問題,但它們并沒有為這個量級系統的發展提供一個框架。量級表征重疊到什么程度?文化習俗是否建立了這樣的等級?它們的發展軌跡是怎么樣的?針對這一系列問題,目前的研究還不足以回答這些疑問,尚需繼續探索以進一步完善理論模型。
綜合上述研究結果,總結出在未來的數空聯結能力研究中幾個值得探討的問題。第一,關于數空聯結能力的生物學基礎問題。以往對嬰兒的研究證明了早期對有序性刺激和數量增加的敏感性,并支持了嬰兒先天傾向于將數字映射到空間兩側的觀點。但這一結論有一個關鍵的局限性,即這些研究都是在美國嬰兒身上進行的,而美國的閱讀書寫文化方向是從左到右的。因此,為了明確指出研究結果指向一種天生的數空聯結能力,未來的研究應該針對在一種以從右到左閱讀和書寫習慣為主的文化中長大的嬰兒進行研究。如果不同文化背景的嬰兒存在一致性結果,將為數空聯結的先天性提供更確切的證據。
第二,關于數空聯結能力的進化起源問題。嬰兒是解釋文化經驗對形成數空聯結影響的關鍵人群,而動物研究可以解決這些聯系可能的進化性質。人類是唯一擁有閱讀和書寫能力的物種,這可能會對我們形成的數空聯結的性質產生不同的影響。探索其他物種也存在心理數字線或者對空間方位的偏好,對于理解人類為何以及如何會出現數空聯結是至關重要的。因此,未來的研究可以選擇更加合適的動物(剛出生并且與人類生理基礎接近),更有效的任務以及足夠敏感的工具進一步推進當前的成果。
第三,關于數空聯結能力的神經機制問題。雖然以往研究顯示了額葉和頂葉在數字和空間領域的重要作用,但是這些研究結果有待商榷。首先,來自學者們對數字和空間分別進行研究得到結論的總結,僅能間接地證明數字和空間的關鍵性腦區。其次,對腦損傷病人的研究為數空聯結提供了病理學上的直接證據。最后,研究者們開展了關于成人的數字空間表征的神經機制的研究,結果顯示存在一個分布式的額頂網絡,特別是頂內溝和左右后頂葉皮層,是空間數字聯結的基礎。但是,成人空間數字神經網絡和發展中的兒童可能是不同的,因為發育變化可能導致兒童和成人在不同的大腦區域處理相同的信息(Ansari& Dhital,2006;Ansari,Garcia,Lucas,Hamon,&Dhita,2005)。而目前關于發展中個體數空聯結能力的直接神經影像學證據非常缺乏。所以這些腦區是如何發展的,仍然是未知的。因此,未來的研究迫切需要從更精確的時間進程和更合適的發展中個體入手,進一步直接揭示數字空間認知加工的關鍵性腦區是如何發展的。