先天視覺經驗缺失對顏色認知的影響：一項ERP研究 *

馮 杰 徐 娟 李亞蘭 伍新春

(1 北京電子科技學院，北京 100070) (2 北京聯合大學特殊教育學院，北京 100075) (3 北京師范大學心理學部，北京 100875) (4 北京師范大學珠海校區應用心理學院，珠海 519087)

1 引言

感覺是初級的認知過程，語言、思維等是高級的認知過程。個體的感覺經驗與認知之間究竟有著什么樣的關系，這是研究者們一直關注的問題。目前主流的觀點認為，感覺與認知并不是相互獨立的，個體的認知以感覺體驗為基礎，個體對周圍世界的知識表征儲存于感覺連接皮層（Barsalou et al., 2003; Martin, 2016; Simmons et al.,2007）。另一些研究者則認為，感覺與認知是相互獨立的心理過程，感覺知識以抽象符號的形式存儲于概念層面，并與感覺表征相分離（Leshinskaya &Caramazza, 2016; Mahon & Caramazza, 2008; Shallice,1987）。視覺是人類的一種重要感覺通道，明眼人在日常生活中有意無意地習得很多顏色知識。然而，與明眼人不同，先天盲個體從一出生便喪失視覺，由于顏色無形、無味、無聲，視覺通道受阻的先天盲個體無法通過視覺直接感受各種各樣的色彩。先天盲人和明眼人具有迥異的視覺經驗，這為探究感覺與認知之間的關系提供了非常寶貴的研究模型。本研究通過對比先天盲人和明眼人顏色知識的差異，進而探討感覺與認知之間的關系，具體而言即視覺與顏色認知之間的關系。

在該研究領域，早期教育心理學家Cutsforth（1932）提出了“verbalism”這個概念，指的是盲人所使用的一些詞中，有一些對他們來說是沒有意義的，比如顏色詞、光亮詞等。關于verbalism的相關研究詳見Rosel等人（2005）的綜述。然而，以往對盲人基本顏色認知的研究發現，盲人能夠正確使用顏色詞，并且盲人開始使用顏色詞的年齡與同齡明眼人相似。有研究報告一個4歲的盲童能夠正確說出一些物體的顏色（Landau &Gleitman, 2009），8～13歲的盲童能夠說出大部分物體的顏色（Connolly et al., 2007）。除了基本的顏色概念和物體顏色知識外，研究者發現盲人還具有一些其他的顏色知識。一名先天盲童知道顏色詞只能用來描述具體事物（比如貓和狗），而不能用來描述想法或故事等抽象概念（Landau &Gleitman, 2009）；另一名盲童認為“藍色”是男孩的顏色，而“紅色或粉色”是女孩的顏色（Bedny &Saxe, 2012）；盲人與明眼人一樣會傾向認為“紅色比黃色更重”（Barilari et al., 2018），“黑色物體比白色物體更重”（時琴琴, 2011）。

雖然盲人在顏色認知模式方面表現出一定的與明眼人的相似性，但是盲人和明眼人在顏色認知空間的大小和分布方面存在一定差異，并且盲人群體的個體差異也較大（Saysani et al., 2018;Shepard & Cooper, 1992）。Kim等人（2019）對比了先天盲被試和明眼被試的動物外形知識，他們發現兩組被試在顏色維度方面表現出較大差異。張積家等人（2008）發現，盲人顏色概念的通過順序與明眼人有所不同，后天盲對“白”和“紫”的通過率（即能夠說出具有某種顏色的物體的比例）顯著高于先天盲；在顏色詞的分類上，盲人和明眼人都有彩色/非彩色的維度，但明眼人還有暖色/冷色維度，盲人的分類維度中有實物色/背景色的維度。時琴琴（2011）發現盲人在不包含紅、綠、藍的八種基本顏色上的通過率顯著低于明眼人，并且在顏色的分類維度上也存在差異。

上述研究結果說明，盲人具有一定的與明眼人相似的顏色認知，但其水平和程度比明眼人弱。以往對于盲人顏色認知的研究主題較為分散，且研究多屬于行為研究，只能簡單地呈現盲人和明眼人顏色認知水平和程度的差異，這對于全面了解視覺經驗缺失對盲人顏色認知的影響還是不夠的，研究者也不了解其認知神經基礎。在日常生活中，對物體顏色的認知是一種重要的能力，因此，本研究聚焦于盲人的顏色知識水平及其神經生理機制。

事件相關電位（event-related potential, ERP）具有較高的時間分辨率，使用ERP技術，研究者可以對個體認知加工的過程進行連續測量。N400是語言加工中常用的ERP指標，它表征語義記憶提取和/或整合（Kutas & Iragui, 1998; Lau et al.,2008）。這里需要區分一下N400反應和N400效應。N400反應是一個廣泛分布的負的ERP成分，它在聽覺或視覺呈現的詞出現200～300 ms后開始出現，并在400 ms左右達到峰值；而由不同實驗條件所誘發的N400反應的波幅的差異或變化稱為N400效應，它在刺激呈現后200～600 ms之間出現，一般在頂-枕葉區域最大（對于書面詞匯而言）（Kutas & Federmeier, 2011; Kutas & Iragui, 1998）。與視覺N400效應相比，聽覺N400效應持續的時間更長，且其大腦分布更靠前（Kutas & Federmeier,2011; Kutas & van Petten, 1988）。

本研究采用啟動范式，向先天盲被試和年齡匹配的明眼被試呈現顏色匹配的詞對和顏色不匹配的詞對，讓被試依據常識進行判斷，同時記錄被試的行為反應和腦電信號變化。明眼人既可以通過直接的視覺感知來獲取顏色知識，也可通過語言表述來學習顏色知識，而盲人只能通過語言描述來獲得顏色知識。根據感覺與認知之間關系的討論，本研究認為，若感覺與認知是分離的，那么從未有過視覺感受的盲人與視覺感受豐富的明眼人在本研究中的行為表現和腦電生理信號反應應該相同；若不同，則說明感覺與認知并非相互獨立。

2 研究方法

2.1 被試

參與本實驗的盲人組有11名男生和6名女生，平均年齡為20.94歲（SD=1.48歲）。所有盲人被試均為先天盲，平均開始學習盲文的時間是7.5歲（SD=1.52歲）。明眼組包括11名男生和10名女生，平均年齡為21.33歲（SD=1.53歲），視力或矯正視力正常，顏色視力正常。兩組被試的年齡匹配，t(36)=0.80，p=0.431；均為右利手，無聽力損傷，無精神或神經疾病。本研究獲得所有被試知情同意，并在測試結束后給予被試一定報酬。

2.2 實驗材料

使用174對雙音節漢語詞作為實驗材料，向被試聽覺呈現啟動詞-目標詞詞對，其中啟動詞為顏色詞，目標詞為指代物體的詞。匹配條件下，啟動詞與目標詞所指代的物體的顏色（正常狀態下）是一致的，比如“白色-雪花”；不匹配條件下，啟動詞與目標詞所指代的物體的顏色（正常狀態下）是不一致的，比如“白色-煤炭”。本研究招募了17名在校大學生對研究中所使用的雙音節漢語詞的熟悉度進行李克特7點評分（1=非常不熟悉，7=非常熟悉）。結果發現，匹配組詞語的熟悉度評分均值為5.54±0.89，不匹配組詞語的熟悉度評分均值為5.60±0.83，兩組詞語熟悉度評分無顯著差異，t(172)=-0.45，p=0.657。

所有聽覺刺激材料均由一名以漢語為母語的成年女性錄制，錄音采樣率為44.1 kHz，使用Praat做標準化處理，每個詞的音強標準化為70 dB，音長標準化為600 ms。

2.3 實驗過程

2.3.1 測試流程

對174個詞對進行偽隨機排序，其中4對詞用作練習，其他詞對為正式測驗材料。使用Eprime2.0編寫和呈現測試程序。每個試次開始時，首先出現一個600 Hz的純音（500 ms），之后出現一個作為啟動詞的顏色詞（600 ms），在一個500～800 ms的隨機空白間隔后出現目標詞（600 ms）。被試需要在目標詞出現之后的3000 ms內盡量快速而準確地作出判斷，判斷依據一般常識并且只考慮事物正常狀態下的顏色。匹配按“F”鍵，不匹配按“J”鍵，左右手按鍵順序在被試間進行了平衡。為了避免使用耳機可能帶來的額外電阻的干擾，本研究使用音箱來呈現語音刺激。兩個音箱放在距被試1米遠的前方，左右各一個，均與被試成45°角。

2.3.2 數據收集

本研究使用Neuroscan 4.5和SynAmps EEG放大器收集腦電數據，采樣率為1000 Hz，帶寬為0.05～100 Hz。每個被試佩戴一頂Quick-Cap 64導電極帽，帽子電極依據國際10-20系統分布于全腦。腦電數據收集時，使用系統默認的電極作為參考電極，該參考電極位于Cz和CPz之間。垂直眼電在左眼上下各一個，水平眼電在左右兩側太陽穴各一個，每個電極上的電阻控制在不超過5 kΩ。在腦電實驗過程中，同時收集腦電信號和行為反應數據。

2.4 數據分析

離線腦電數據處理，首先，轉換參考電極，用雙側乳突M1和M2的平均電位作為參考，并且只分析被試進行正確反應的試次；使用Neuroscan提供的線性回歸方程對眼電進行校正；濾波使用30 Hz、Zero-phase和24 dB/octave的低通濾波；以刺激出現前200 ms為基線、刺激出現后1000 ms時間段對數據進行分段；基線校正后，去除任何電極上電位變化超出±100 μV的試次（匹配條件去偽跡去除的試次比例為20.2%，不匹配條件去偽跡去除的試次比例為17.2%）；最后，將每個被試兩種實驗條件下剩余的試次分別進行疊加平均。

本研究主要關注N400成分。對本研究中的波形圖（圖1和圖2）進行觀察，發現在目標刺激出現后300 ms左右開始出現一個負波，并在550 ms左右達到峰值，該成分可判斷為N400反應。根據以往N400相關研究（Kutas & Federmeier, 2011;Kutas & Iragui, 1998），并結合本研究中的波形圖（圖1和圖2）和地形圖（圖3），選取300～800 ms作為分析N400的時間窗。進入分析的電極包括分布于左半球的6個電極（FC1、FC3、C1、C3、CP1和CP3）和分布于右半球的6個電極（FC2、FC4、C2、C4、CP2和CP4）。使用SPSS22.0對實驗數據進行方差分析，超過正負三個標準差的數據作為缺失值處理，并使用Bonferroni校正法對方差分析的結果p值進行校正。以實驗條件和半球分布為被試內變量，以分組為被試間變量，使用2×2×2三因素方差分析對N400反應的平均波幅和峰值潛伏期分別進行統計分析。對于行為反應的正確率和反應時，以實驗條件為被試內變量，以分組為被試間變量，使用2×2兩因素方差分析，比較兩組被試不同實驗條件下行為反應的差異。

圖1 明眼組和盲人組N400反應原始波波形圖

圖2 明眼組和盲人組N400反應差異波波形圖

圖3 明眼組和盲人組N400反應地形圖

3 結果

3.1 行為結果

對正確率的兩因素方差分析（實驗條件×分組）結果顯示，分組主效應顯著[F(1, 36)=20.47,p＜0.001, η2p=0.36]，明眼組的正確率高于盲人組，見圖4a；實驗條件主效應不顯著[F(1, 36)=1.53,p=0.224]，實驗條件×分組交互作用也不顯著[F(1,36)=1.12,p=0.297]。反應時的分析結果發現，實驗條件主效應顯著[F(1, 36)=19.84,p＜0.001, η2p=0.36]，實驗條件×分組交互作用顯著[F(1, 36)=6.19,p=0.018, η2p=0.15]，分組主效應不顯著[F(1, 36)=0.76,p=0.390]。使用Bonferroni多重校正的簡單效應分析結果顯示，盲人被試對不匹配詞對進行判斷的反應時長于對匹配詞對進行判斷的反應時[F(1,36)=21.80,p＜0.001]，見圖4b，明眼被試兩種條件下的反應時無顯著差異[F(1, 36)=2.16,p=0.150]。

圖4 明眼組和盲人組物體顏色知識判斷的正確率（a）和反應時（b）

3.2 腦電結果

3.2.1 N400反應波幅

對N400反應平均波幅的三因素方差分析（實驗條件×半球分布×分組）發現，實驗條件主效應顯著[F(1, 213)=97.71,p＜0.001, η2p=0.31]，實驗條件×分組交互作用顯著[F(1, 213)=21.01,p＜0.001,η2p=0.09]，實驗條件×半球分布交互作用也顯著[F(1, 213)=25.12,p＜0.001, η2p=0.11]。半球分布主效應不顯著[F(1, 213)=0.00,p=0.984]，分組主效應不顯著[F(1, 213)=3.35,p=0.069]，半球分布×分組交互作用不顯著[F(1, 213)=1.85,p=0.175]，三因素交互作用也不顯著[F(1, 213)=0.71,p=0.400]。

對實驗條件×分組兩因素交互作用進行簡單效應分析，結果顯示，明眼組中，不匹配條件下N400反應的平均波幅大于匹配條件下的平均波幅，F(1, 437)=26.40，p＜0.001；盲人組中，不匹配條件下N400反應的平均波幅也大于匹配條件下的平均波幅，F(1, 437)=151.49，p＜0.001。匹配條件下，明眼組被試N400反應的平均波幅大于盲人組被試N400反應的平均波幅，F(1, 437)=18.13，p＜0.001；不匹配條件下，兩組被試N400反應平均波幅大小無顯著差異，F(1, 437)=0.10，p=0.759。

對實驗條件×半球分布兩因素交互作用進行簡單效應分析，結果發現，左側電極上，不匹配條件下的N400波幅大于匹配條件下的N400波幅，F(1, 213)=17.10，p＜0.001；右側電極上，不匹配條件下的N400波幅也大于匹配條件下的N400波幅，F(1, 213)=16.84，p＜0.001。匹配條件下，左右兩側電極上N400反應的平均波幅無顯著差異，F(1, 213)=0.92，p=0.340；不匹配條件下，兩側電極上N400平均波幅的差異也不顯著，F(1, 213)=2.60，p=0.108。

進一步用不匹配條件下被試的N400反應減去匹配條件下的N400反應，得到N400反應的差異波，該差異波表示被試對不匹配刺激和匹配刺激的電生理反應的差異，即N400效應。使用兩因素方差分析（半球分布×分組）對兩組被試N400反應差異波300～800 ms內的平均波幅進行分析，結果顯示，半球分布主效應顯著[F(1, 213)=25.12,p＜0.001, η2p=0.11]，左側電極上的N400反應差異波波幅大于右側電極上的N400反應差異波波幅（圖5）；分組主效應顯著[F(1, 213)=21.01,p＜0.001, η2p=0.09]，盲人組N400反應差異波波幅大于明眼組N400反應差異波波幅（圖5）；半球分布×分組交互作用不顯著[F(1, 213)=0.71,p=0.400]。

圖5 明眼組和盲人組N400反應差異波平均波幅

3.2.2 N400反應潛伏期

對N400反應峰值潛伏期進行實驗條件×半球分布×分組三因素方差分析，結果顯示，實驗條件主效應顯著[F(1, 218)=39.48,p＜0.001, η2p=0.15]，半球分布主效應顯著[F(1, 218)=8.78,p=0.003,η2p=0.04]，分組主效應顯著[F(1, 218)=23.21,p＜0.001, η2p=0.10]，半球分布×分組兩因素交互作用顯著[F(1, 218)=4.30,p=0.039, η2p=0.02]，三因素交互作用顯著[F(1, 218)=12.15,p=0.001, η2p=0.05]。實驗條件×分組兩因素交互作用不顯著[F(1, 218)=0.02,p=0.878]，半球分布×實驗條件兩因素交互作用也不顯著[F(1, 218)=2.23,p=0.137]。

對實驗條件×半球分布×分組三因素交互作用進行簡單簡單效應分析，結果顯示，左側電極上匹配條件下，盲人組N400潛伏期小于明眼組，F(1, 218)=6.29，p=0.013；左側電極不匹配條件下，盲人組N400潛伏期小于明眼組，F(1, 218)=18.69，p＜0.001；右側電極匹配條件下，盲人組N400潛伏期小于明眼組，F(1, 218)=26.81，p＜0.001；右側電極不匹配條件下，盲人組N400潛伏期也小于明眼組，F(1, 218)=16.40，p＜0.001。明眼組左側電極上，不匹配條件下的N400潛伏期大于匹配條件下的N400潛伏期，F(1, 218)=39.41，p＜0.001；明眼組右側電極上，兩種實驗條件下的N400潛伏期差異不顯著，F(1, 218)=1.45，p=0.230；盲人組左側電極上，不匹配條件下的N400潛伏期大于匹配條件下的N400潛伏期，F(1, 218)=5.42，p=0.021；盲人組右側電極上，不匹配條件下N400潛伏期也大于匹配條件下的潛伏期，F(1, 218)=15.08，p＜0.001。明眼組匹配條件下，左側電極上的N400潛伏期小于右側電極上的N400潛伏期，F(1, 218)=26.12，p＜0.001；明眼組不匹配條件下，左右兩側電極上的N400潛伏期無顯著差異，F(1, 218)=1.42，p=0.234；盲人組匹配條件下，左右兩側電極上的N400潛伏期差異不顯著，F(1, 218)=0.05，p=0.831；盲人組不匹配條件下，左右兩側電極上的N400潛伏期也無顯著差異，F(1, 218)=1.54，p=0.216。見表1。

表1 明眼組和盲人組N400反應潛伏期（M±SD）（ms）

4 討論

本研究旨在探討視覺與顏色認知之間的關系。研究采用啟動實驗范式，使用事件相關電位技術，測量并分析了先天盲被試和明眼被試在進行物體顏色知識判斷時的行為反應和電生理信號變化。本研究基于行為數據和腦電數據的分析結果，對視覺與顏色認知之間的關系進行討論。

行為反應分析結果顯示，盲人被試對物體顏色判斷的正確率（M=0.84）高于隨機水平，說明盲人具有一定的物體顏色知識。語言是人類用以表達思想、進行交流與學習的重要工具，人類使用語言來傳遞思想，實現文化的傳承。語言中包含大量信息，盲人可以通過與他人交流或閱讀（盲文）等方式獲得顏色知識。但是，盲人被試的正確率顯著低于明眼被試（M=0.94）。該結果表明，直接的視覺感知體驗對顏色知識獲得具有重要作用，視覺是獲得物體顏色知識的有效途徑。另一方面，盲人具有一定物體顏色知識的證據說明，人類對環境有很強的適應能力，當原有的知識獲取通道（比如視覺）受損時，個體會發展出適應性的學習策略，通過其他完整的感覺通道（比如聽覺）來進行學習。簡而言之，盲人在顏色任務中正確率高于隨機水平的結果說明先天沒有視覺體驗的盲人也具有一定的顏色認知，該結果支持“感覺與認知相分離”的假設；而盲人與明眼人在顏色任務中有差異的結果說明直接的視覺體驗對顏色認知的重要性，該結果支持“認知基于感覺”的假設。因此，“感覺與認知相分離”和“認知基于感覺”這兩種觀點并不是對立的，而是解釋了不同情況下的感覺與認知之間的關系。

腦電分析結果發現，先天盲被試和明眼被試中均出現了顏色不匹配所誘發的N400效應，即兩組被試中顏色不匹配詞比顏色匹配詞所誘發的N400反應波幅更大。并且，不匹配條件下N400反應的潛伏期也長于匹配條件下N400反應的潛伏期。N400反應可以表征存儲于長時記憶中的與目標詞特征相關的一些表征的激活程度（Lau et al.,2008），當啟動詞與物體顏色匹配時，與目標詞相關的特征較容易激活，有利于目標詞識別；當啟動詞與物體顏色不匹配時，個體需要調動更多的認知資源來識別目標詞，因此不匹配條件下N400反應的波幅更大、潛伏期更長。該研究結果表明，先天盲被試和明眼被試一樣，也能利用啟動詞和目標詞之間的顏色相關關系來促進其判斷。此外，在盲人組和明眼組中均發現，左側電極上的N400效應（N400反應差異波波幅）大于右側電極上的N400效應，顯示兩組被試在物體顏色知識表征上均具有左半球優勢。該結果獲得最近一項關于盲人物體顏色知識的腦成像研究結果的支持，Wang等人（2020）發現先天盲被試和明眼被試都有左半球背側前顳葉皮層支持其物體顏色知識表征。

研究者對盲人詞匯語義表征的腦神經生理基礎也進行了一些探索（Bottini et al., 2020; Striem-Amit et al., 2018; Wang et al., 2020）。Striem-Amit等人使用fMRI技術研究了先天盲人如何加工那些對他們來說不可直接感知的詞匯（比如“彩虹”“紅色”），研究者發現，盲人大腦的前顳葉皮層背側對不可感知的詞匯概念更敏感，前顳葉皮層側面對抽象詞匯概念比較敏感，而前顳葉皮層中部則更傾向于可感知的詞匯概念。Wang等人對先天盲（或早盲）被試和明眼被試顏色知識腦神經表征的異同進行研究，發現盲人組和明眼組都有左半球前顳葉皮層背側區域的激活，而腹側枕顳葉顏色感知區則只在明眼被試中有激活。其他研究者還發現，明眼被試中，感知相似的顏色詞或動作詞在其枕葉皮層后部有引發適應現象，該腦區與那些已知用來表征低水平視覺特征的腦區重合；而早盲被試對感知相似的詞匯則在顳葉皮層表現出更強的適應現象，該結果說明，盲人被試可能更加依賴詞匯-語義編碼來表征感知知識（Bottini et al., 2020）。以上研究表明，盲人對其不能進行直接感知的詞匯（比如顏色詞）的加工和表征主要在顳葉皮層，而明眼人的顳葉皮層屬于語言加工網絡的重要組成部分，由此推測盲人可能更加依賴語言信息編碼來表征這類詞匯知識。

本研究還發現，先天盲被試的N400效應比明眼被試大，并且，先天盲被試N400反應的潛伏期比明眼被試短。直接的視覺感知體驗為明眼人物體顏色知識的習得提供了鮮明形象的線索，先天盲個體不能直接感知物體顏色，只能通過語言描述來獲得顏色知識。日常生活中，明眼人顏色知識的獲得在有意或無意中無時無刻都在進行著，而盲人通過語言描述對顏色知識的獲得方式則在時空方面具有一定局限性。這種獲得途徑的限制可能導致先天盲個體的物體顏色知識弱于明眼人，他們物體顏色知識的認知空間可能小于明眼人。在進行物體顏色判斷時，可能是因為先天盲被試所搜尋的認知空間較小，他們更容易對“匹配”和“不匹配”的關系進行認知分離，因而盲人被試組的N400效應更大，N400反應潛伏期更短。

5 結論

本研究發現，先天盲被試具有一定的顏色知識，并且他們的顏色知識表征與明眼被試一樣具有左半球優勢，盲人可能更加依賴語言信息編碼來表征顏色知識。但是，先天盲被試的顏色知識水平比明眼被試差，先天盲被試中不匹配條件所誘發的N400效應比明眼被試大，N400反應的潛伏期比明眼被試短，這可能是因為盲人的顏色認知空間較小。直接的視覺感知是明眼人獲得物體顏色知識的有效途徑；視覺經驗的缺失使盲人發展出與明眼人不同的學習策略來獲得物體顏色知識；此外，視覺經驗的缺失對物體顏色知識的認知神經表征也有一定影響?！案杏X與認知相分離”和“認知基于感覺”這兩種理論并不是對立的，它們解釋了不同情境下的感覺與認知之間的關系。