面孔生命性加工的時間進程：ERP 研究 *

金 花 嚴世振 單金磊 劉 婷

(1 教育部人文社會科學重點研究基地天津師范大學心理與行為研究院，天津 300387) (2 天津師范大學心理學部，天津300387) (3 學生心理發展與學習天津市高校社會科學實驗室，天津 300387) (4 天津工業大學電子與信息工程學院，天津 300387) (5 天津職業技術師范大學職業教育學院，天津 300222)

1 引言

面孔生命性指通過特定面孔特征表達、提示面孔為真實且具有內在生命力的信息，是判斷面孔為真人或人工面孔的重要線索（Farid & Bravo,2012）。面孔生命性知覺被認為是視知覺的一個基本功能，表現為個體能快速、自動化地對面孔是否具有生命做出知覺判斷（Looser & Wheatley, 2010）。日常生活中對面孔生命性的有效識別有益于個體更好的社會生存（Balas & Auen, 2019; Balas &Tonsager, 2014; Koldewyn et al., 2014; Looser &Wheatley, 2010）。

采用事件相關電位（event-related potential,ERP）探究面孔生命性信息加工的時間進程是面孔生命性知覺研究的焦點之一。ERP 成分中的P1、N170 和晚期正成分（later positive potential, LPP）被認為與面孔加工有關。P1 指刺激呈現后約100 ms時出現的正成分，反映對面孔物理特征的早期自動加工（Fimreite et al., 2015）。N170 是刺激呈現后160～170 ms 時達到峰值的一種負成分，與面孔的結構編碼有關（Balas et al., 2017）。LPP 是刺激出現后的300～700 ms 間出現在中央頂區的正波，反映面孔情緒的高級認知加工、持續性注意（Hajcak et al., 2010）。根據生命性和非生命性面孔在腦電成分上的差異，研究者提出了關于面孔生命性信息加工時間進程的不同觀點。如Balas 和Koldewyn（2013）發現生命性和非生命性面孔誘發的腦電差異主要體現在早成分P1 上，認為生命性加工可能位于面孔加工的早期階段。也有研究發現生命性和非生命性面孔誘發的腦電差異體現在N170 和LPP 成分上，提示生命性信息的加工可能從面孔加工中期延續到晚期。如Schindler 等（2017）發現面孔的真實度和N170 波幅呈倒U 型關系，與LPP 波幅正相關。鄭晨燁等（2015）發現真人面孔比卡通面孔誘發更大的N170 波幅和更小的LPP。Zhao 等（2019）發現真人面孔比卡通面孔誘發更小的N170 波幅和更大的LPP。

而Wheatley 等（2011）發現生命性面孔和非生命性面孔誘發的腦電差異僅體現在LPP 上。他們采用非面孔刺激時鐘和經評估得到的高外在相似性的真人和玩偶面孔材料，發現真人和玩偶面孔比時鐘刺激誘發更負的N170 波幅；兩類面孔誘發的N170 成分無差異，但真人比玩偶面孔誘發了更大的LPP。該研究認為生命性加工發生在面孔加工的晚期階段，并提出了生命性面孔加工的兩階段理論，即生命性面孔加工存在整體結構編碼和生命性信息加工兩個階段。在編碼階段，視覺系統首先編碼刺激的整體結構信息，并誘發N170 成分。當刺激被識別為面孔結構或類面孔結構后，作為具有生物意義線索，面孔獲得進一步的生命性信息加工。在此階段，個體自動化且無意識地加工面孔的生命性信息、進行知覺判斷并誘發LPP成分。Balas 等（2017）發現真人和人工面孔在P1 和N170 成分上不存在面孔生命性主效應，并在討論中提出生命性加工可能發生在面孔加工的晚期階段。

結果的分歧可能源于不同研究間任務、電極點選擇和材料選擇差異。在任務上，部分研究采用分類任務（Balas & Koldewyn, 2013; Zhao et al.,2019），部分采用被動呈現（Schindler et al., 2017;Wheatley et al., 2011）。不同的認知任務可能會導致加工類型、加工深度和加工難度差異（Pendleton et al., 2016; Terrett et al., 2019）。電極點選擇上，Wheatley 等選取了中央區和前額區（Cz、AFz）的電極，而更多的研究選擇了中央頂區和頂枕區的電極點（Schindler et al., 2017; Zhao et al., 2019）。不同的ERP 成分有著不同的頭皮分布，電極點的選擇差異會對結果產生影響。材料選擇上，控制了不同生命性面孔的外表相似度的研究未能發現N170 的類別效應（Balas et al., 2017; Wheatley et al.,2011），而顯示出N170 差異的研究均未控制外表相似性（Schindler et al., 2017; Zhao et al., 2019），提示面孔外在相似性差異可能是誘發N170 差異的根源。此外，以往研究通過比較兩類面孔誘發的ERP 成分來考察面孔生命性知覺的神經機制，難以揭示面孔生命性信息和ERP 特定成分間的因果變化關系。因此，本研究擬應用參數設計方法，從因果層面探索面孔生命性加工的相關ERP 成分，以更好地揭示面孔生命性信息加工的時間過程。

本研究基于高相似度的真人和人工面孔的多個面部基準點，生成一系列身份信息強度從真人面孔遞減到人工面孔的面孔組，通過心理物理法評估獲得生命性等距面孔，使得各等級面孔具有高相似度和生命性強度等距的特點。在此基礎上，利用ERP 技術評估面孔生命性和ERP 成分間的共變關系，揭示有效反映面孔生命性知覺的腦電成分及各等級面孔誘發的神經電信號模式。基于以往研究發現P1 和N170 更多反映低級面孔物理特征和面孔的早期結構編碼，本研究認為相關研究誘發的P1 和N170 更可能由不同生命性面孔間的低水平差異和結構差異等無關變量誘發。基于功能磁共振研究發現真實和人工面孔在腹側視覺通路的激活上具有差異（Shultz et al., 2015），而腹側視覺通路被視為大腦皮層加工晚期階段的腦激活區（Looser et al., 2013），推測面孔生命性加工更可能位于面孔加工的晚期階段。據此，本研究提出假設：面孔生命性加工更可能位于面孔加工的晚期階段，體現在LPP 成分上。此外，根據面孔生命性知覺閾限的行為學研究發現處于閾限（50%生命性等級）周圍的面孔圖片的加工可能不同于處于連續體兩端的面孔（Hackel et al.,2014），預測面孔生命性強度和其誘發的神經電信號模式間的關系可能為非線性關系。

2 研究方法

2.1 被試

39 名大學生（20.51±2.25 歲，14 名男性）參與了實驗。被試均為右利手，無色盲或色弱、臉盲、精神疾病史、腦外傷和身心健康問題；24 小時內無飲用刺激性或興奮性飲料和藥物等情況，未參與前期材料評估。實驗前所有被試簽署知情同意書。

2.2 實驗設計

被試內設計。主自變量為生命性等級（0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%），次自變量為大腦半球。因變量為反應時和面孔類別判斷概率以及P1、N170 的潛伏期和峰振幅，P3、LPP 的平均波幅。

2.3 實驗材料

為增強與前人研究結果的可比較性，21 組中性面孔圖片（10 組男性）選自Looser 和Wheatley（2010）以及Bowling 和Banissy（2017）的研究。每組包含生命性和非生命性面孔各一張，前者為高加索真人面孔，后者為與前者外觀相似的非真人面孔圖片。通過Photoshop CC（Adobe Systems Inc.）控制同組內的兩張面孔的亮度和高度，其中垂直高度為1 8 0 像素。面孔的水平寬度在200～245 像素之間，同組內不同生命性面孔的水平寬度保持一致。面孔區域占整張圖片80% 以上。所有圖片都以相同的亮度和對比度呈現在黑色背景上。

實驗前，另選取37 名大學生（21.13±1.83歲，15 名男性）對同組面孔的外表相似度、情緒效價和喚醒度進行7 點評定。對外表相似度3 分以上的19 組中性面孔（10 組男性）進行配對樣本t檢驗，發現兩組面孔在效價和喚醒度（ps＞0.05）上無顯著差異。本研究還額外招募了30 名（21.20±1.61 歲，15 名男性）和43 名新被試（20.88±1.79 歲，22 名男性）分別完成面孔生命性識別任務和面孔吸引力評定（7 點計分），配對樣本t檢驗結果顯示兩組面孔的識別正確率和面孔吸引力均不存在顯著差異（ps＞0.05）。

運用Morph Man 4.0 （STOIK Imaging Inc.）在每組的生命性和非生命性面孔之間生成101 張身份信息強度從100%遞減到0%的面孔連續體，遞減間隔為1%。19 名新被試（20.37±1.42 歲，9 名男性）在每組面孔連續體中選出9 張分別表示生命性等級為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90% 的圖片。其中生命性的定義是“你認為該照片有多大的概率被認為是真人”。根據以往研究（Balas & Auen, 2019; Bowling &Banissy, 2017），將所得到的結果以面孔的身份強度等級為x軸，生命性等級為y軸，進行三次多項式模型數據擬合。擬合結果如公式1 所示（和方差SSE=0.005，確定系數R2=0.992，均方根RMSE=0.027）。

根據擬合方程計算各生命性等級所對應的物理等級，選定對應面孔作為實驗材料，分別代表各生命性等級的面孔（見圖1）。因此，本研究正式實驗共納入19 組面孔，合計生成209 張面孔圖片。

圖1 各生命性等級面孔示意圖

2.4 實驗程序

刺激通過E-Prime 2.0（Psychology Software Tools Inc.）呈現。被試距離屏幕60 cm，垂直視角為6.4°，水平視角在8.8°～10.7°間，屏幕刷新率為60 Hz，分辨率為1024×768 像素。實驗采用生命性分類任務。每個試次開始時，屏幕上首先呈現注視點500 ms，隨后呈現面孔圖片500 ms，圖片消失之后呈現黑色空屏，要求被試通過游戲手柄的左鍵或右鍵判斷呈現的面孔是真人面孔還是人工面孔。按鍵反應后，空屏仍持續呈現，呈現時間在500～800 ms 之間隨機（見圖2）。實驗共627 個試次，每個條件57 個試次（每張圖片重復呈現3 次）。程序以單個組塊呈現，每209 個試次被試休息一次。所有圖片隨機呈現，按鍵順序在被試間平衡。實驗前被試先休息5 分鐘以穩定實驗情緒。正式實驗前兩類面孔各練習4 個試次。為驗證面孔材料控制的有效性，實驗后要求被試對材料的情緒效價和喚醒度進行7 點評定。

圖2 實驗流程圖

2.5 數據采集與分析

根據國際10-20 系統擴展的64 導Ag/AgCl 電極帽、Neuroscan ERP 工作站記錄ERP 信號，電極阻抗小于5 KΩ。在線記錄時數據濾波帶通為0.05～400 μV，采樣率1000 Hz。在左眼上下1 cm 處安置電極記錄垂直眼電（VEOG），在左右眼眼外側1.5 cm 處安置左右電極記錄水平眼電（HEOG），在線紀錄時以左側乳突連線為參考電極，離線后轉為雙側乳突為參考電極。數據采用Curry 8 系統進行離線分析：人工視覺掃描異常數據、眼動校正、濾波（濾波帶通0.01～30 Hz，零相位延遲）、分段（-200～1000 ms）、基線矯正（-200～0 ms）、疊加平均。

根據已有相關文獻（Balas & Koldewyn, 2013;Wheatley et al., 2011）、腦電地形圖以及ERP 波形圖選取電極點、ERP 成分的時間窗。選取PO7、P7、PO8、P8 電極點在90～140 ms 時間窗內的數據分析P1、160～200 ms 時間窗內的數據分析N170；選取C1、C2、Cz、CP1、CP2、CPz、P1、P2、Pz 電極點在280～330 ms 時間窗內的數據分析P3、500～550 ms 時間窗內的數據分析LPP。因早、中期ERP 成分具有較尖銳的峰值，故對P1 和N170 采用基線-峰值進行度量；而P3 和晚期呈彌漫性且波形較鈍的LPP 采用平均波幅進行度量。

2.6 數據統計

統計分析采用SPSS Statistics 21.0（IBM Inc.），方差分析中對不符合球形假設的主效應和交互作用的p值采用Greenhouse-Geisser 法進行校正。通過Matlab R2015a（MathWorks Inc.）繪制出ERP 的腦地形圖。

3 結果

14 名被試因報告疲勞或數據中偽跡過多（單條件有效試次數低于35）等被剔除，最后剩余有效被試25 人（9 名男性）。

3.1 行為結果

反應時：各生命性等級面孔的反應時如圖3所示。單因素重復測量方差分析發現，面孔類別主效應顯著[F(10, 240)=7.48,p＜0.001,=0.25]。事后多重比較發現，非生命性面孔的平均反應時顯著小于30%、40%、50%、60% 等級面孔（ps＜0.05）；10% 等級面孔的反應時顯著小于30% 和40%等級面孔（ps＜0.05）；60%等級面孔的反應時顯著大于90%等級面孔和生命性面孔（ps＜0.05）。4 0% 等級面孔和9 0% 等級面孔（p=0.0 5 1）、50%等級面孔和生命性面孔（p=0.051）之間的差異邊緣顯著；其他條件間的差異均不顯著（ps＞0.05）。

類別判斷概率：各生命性等級面孔類別判斷概率（判斷為真實面孔）見圖3。采用相關分析探索實驗中被試各等級下的類別判斷概率和面孔等級之間的相關，結果顯示類別判斷概率和生命性等級之間呈高度正相關（r=0.89,p＜0.001），表明被試能有效識別面孔的生命性。

圖3 面孔反應時和類別判斷概率圖

實驗后情緒評定：配對樣本t檢驗結果顯示，非生命性面孔情緒效價評分（4.36±0.86）顯著小于生命性面孔[4.77±0.77,t(24)=-2.47,p=0.021,Cohen’sd=-0.50]。非生命性面孔情緒喚醒度（4.67±0.31）與生命性面孔不存在顯著差異（4.54±1.08,p＞0.05）。

3.2 ERP 結果

研究首先分析非生命性和生命性面孔誘發的ERP 成分差異，以獲得生命性加工相關成分。進一步分析相關成分隨等級變化的電活動模式，為目標成分反映面孔生命性加工提供更有力的證據。

3.2.1 生命性加工相關成分

實驗在枕顳區發現明顯的P1 和N170 成分，在中央頂區發現明顯的P3 和LPP 成分。表1 和圖4 分別呈現不同面孔誘發的ERP 波幅、潛伏期以及各成分的總平均波形圖和差異腦地形圖（非生命性面孔-生命性面孔）。

圖4 不同類別面孔在P1、N170、P3 和LPP 上的總平均波形圖（A）和差異腦地形圖（B）

表1 面孔類別的ERP 結果（M±SD）

對P1 的波幅和潛伏期分別進行2（面孔類別：非生命性、生命性）×2（半球：左、右）的重復測量方差分析。結果發現波幅和潛伏期所有效應均不顯著（ps＞0.05）。

對N170 的波幅和潛伏期的方差分析發現，波幅的半球主效應顯著[F(1, 24)=5.32,p=0.030,=0.18]，事后多重比較發現，右半球的負激活（-4.18±6.68 μV）顯著大于左半球（-2.38±5.18 μV,p=0.030）。其他效應均不顯著（ps＞0.05）。

對P3 的波幅進行2（面孔類別：生命性、非生命性）×3（半球：左、中線、右）的重復測量方差分析發現，面孔類別主效應顯著[F(1, 24)=13.26,p=0.001,=0.36]，事后多重比較發現，非生命性面孔的波幅（9.00±4.33 μV）顯著大于生命性面孔（7.10±4.28 μV,p=0.001）。半球主效應顯著[F(2, 48)=3.61,p=0.035,=0.13]，左 半 球（8.30±4.06 μV）誘發的P3 波幅顯著大于右半球（7.86±4.06 μV,p=0.036），與中線不存在顯著差異（8.00±4.30 μV,p=0.142）。交互作用不顯著（p＞0.05）。

對LPP 的波幅進行上述2×3 方差分析發現，面孔類別主效應顯著[F(1, 24)=28.08,p＜0.001,=0.54]，非生命性面孔（12.75±5.01 μV）的波幅顯著大于生命性面孔（8.98±4.52 μV,p＜0.001）；半球主效應顯著[F(1, 24)=4.17,p=0.020,=0.15]，中線（11.17±5.29 μV）的波幅顯著大于左半球（10.70±5.27 μV,p=0.043）和右半球（10.72±5.08 μV,p=0.043）。交互作用不顯著（p＞0.05）。

3.2.2 面孔生命性等級加工

表2 和圖5 描述了各等級面孔誘發ERP 波幅及其電信號模式。

表2 各生命性等級面孔誘發的ERP 波幅

為揭示各等級面孔誘發ERP 成分的神經電信號模式，對生命性等級和誘發的P3 和LPP 波幅進行數據擬合。根據散點圖的分布，對P3 成分采用漸近回歸模型進行擬合，得到擬合方程為：y=7.19x+1.85×0.96x（SSE=0.416,R2=0.864, RMSE=0.052）。對LPP 成分采用二次多項式模型進行擬合，得到擬合方程為：y=0.0009x2-0.11x+12.16（SSE=1.910,R2=0.842, RMSE=0.239）。結果提示P3 的波幅變化模式為隨生命性等級的增大先降低，在約30%～50% 等級時保持穩定（圖5A）。LPP 的電信號模式為隨生命性增強呈“U”型分布，即隨著生命性等級增大時，波幅先逐漸降低，至60%生命性等級時波幅達到最小；當生命性等級繼續增加，波幅又隨之增大（圖5B）。行為和ERP 波幅的相關分析顯示，LPP 波幅與反應時呈顯著負相關（r=-0.25,p＜0.001）；P3 波幅與反應時的相關不顯著（p＞0.05）。

圖5 各生命性等級面孔誘發的ERP 成分的電信號模式

4 討論

本研究采用ERP 技術考察了面孔生命性加工時的神經電生理基礎。結果發現，非生命性面孔誘發的P3 和LPP 波幅顯著大于生命性面孔，而P1 和N170 成分沒有顯著的類別差異，證實面孔生命性加工位于面孔加工的晚期階段的觀點。進一步通過參數設計探討面孔生命性等級的神經電生理反應模式，發現LPP 波幅變化和面孔等級變化表現出一定的關聯性，即面孔生命性變化誘發LPP 波幅的“U”型變化。LPP 波幅的變化與面孔反應時顯著相關，拓展了以往研究結果，揭示了隨生命性等級變化引起的大腦電生理反應模式。

4.1 面孔生命性加工和LPP 的特異性變化

本研究發現非生命性和生命性面孔在LPP 成分上的差異性，表明LPP 反映了面孔的生命性信息加工，與以往研究結果保持一致（Wheatley et al.,2011; Xiang et al., 2022）。Xiang 等通過面孔的適應范式結合ERP 技術探討了面孔生命性知覺的神經基礎。結果發現對生命性面孔適應降低了隨后呈現的生命性面孔誘發的LPP 波幅，并增大LPP 的潛伏期，支持了生命性信息的晚期加工觀點。進一步，本研究發現生命性變化誘發LPP 波幅的“U”型變化的結果，這提示波幅可能反映了生命性信息的類別指向性程度，而非生命性信息強度。反應時結果發現在知覺閾限附近反應時更大，提示生命性面孔分類難度更大，生命性信息的類別指向性越差，推測面孔類別指向性越強，誘發的LPP 波幅越大。這種LPP 反映面孔類別指向性的加工模式也存在于情緒、種族等二分面孔維度中（Sun et al., 2017），如Sun 等以愉快到恐懼的面孔連續體為材料，要求被試進行情緒分類，結果發現情緒類別指向性強的面孔誘發的LPP 波幅更大，而情緒類別指向性模糊的面孔誘發的波幅更小。以往研究認為LPP 可能反映持續性注意過程，更大的波幅表明投入更多的注意資源（Foti et al., 2009）。本研究發現指向性明確面孔誘發更強的LPP 波幅，表明相對于模糊面孔，個體在指向明確面孔上投入更多的注意資源，這種注意資源分配可能與實驗任務有關。本研究采用的生命性判斷任務需要個體在分類過程中對儲存在長時記憶中的生命性面孔模板和非生命性面孔模板進行選擇，以最佳匹配來自外界的面孔并實現生命性分類。因此，個體對類別指向性更明確的兩端面孔投入更多的注意資源。

本研究發現非生命性面孔比生命性面孔誘發更大的LPP 波幅，與鄭晨燁等（2015）的結果一致。鄭晨燁等要求被試對屏幕上呈現的面孔圖片進行吸引力評判，結果也發現卡通面孔比真人面孔誘發更大的LPP。但該結果與Wheatley 等（2011）和Schindler 等（2017）發現的生命性面孔波幅更大的結果并不一致，這可能和任務差異有關。L P P 波幅受評估行為、任務差異等影響（Hajcak & Foti, 2020）。觀察到真人面孔誘發更大LPP 的研究在實驗中多要求被試被動觀看呈現的刺激，而觀察到非真人面孔產生更大LPP 的研究在實驗中多要求被試對呈現的刺激進行特定的分類任務。Kaminska 等（2020）認為相對于被動觀看，分類過程需要激活典型面孔表征并與呈現的面孔刺激進行匹配。Sun 等（2017）的實證研究也發現分類與被動注視任務下相同材料誘發的LPP 并不相同。不同情緒類別面孔在分類任務下誘發的LPP 波幅存在顯著差異，但在被動注視任務下誘發的LPP 波幅差異不顯著。

LPP 在面孔間的差異也被認為和面孔吸引力差異有關（Marzi & Viggiano, 2010）。但本實驗所納入生命性和非生命性面孔在吸引力上無顯著差異，排除了吸引力對實驗結果的干擾。另外，情緒也可能影響面孔生命性知覺（Schirmer & Adolphs,2 0 1 7），且誘發L P P 成分（Y u & K i t a y a m a,2019），這提示情緒也可能成為本實驗結果的一個干擾因素。本實驗雖然在材料評估時控制了面孔間的情緒差異，但正式實驗的被試實驗后評定發現，生命性面孔的效價比非生命性面孔更偏向正性，且各生命性類別面孔效價均偏向正性。雖然根據“恐怖谷”理論，80%～90%等級面孔可能誘發被試的負性情緒（Yu & Kitayama, 2019），提示本研究誘發的LPP 波幅差異不太可能由“恐怖谷”效應導致。但本實驗難以基于文獻排除LPP的情緒效應。如何更合理有效控制等級間的情緒效價，以及生命性加工與等級面孔的差異化的情緒加工之間的關系，未來應進一步探索。

4.2 面孔生命性加工和其他ERP 成分的變化

實驗沒有發現P1 和N170 成分的面孔生命性效應，符合預期假設。前人研究表明視覺早期加工較少涉及深度認知加工，主要受刺激物理屬性的影響（Liu et al., 2018）。本研究控制刺激物理屬性后未在P1 成分上觀察到面孔類別的主效應，提示P1 不是反映面孔生命性知覺的有效指標。N170 成分被視為腦對面孔結構編碼的特異性成分（Balas et al., 2017）。生命性和非生命性面孔都具備基礎的面孔結構，因此均誘發明顯的N170成分，但N170 的波幅和潛伏期均未顯示出面孔類別差異，表明N170 對面孔生命性加工的不敏感。基于先前研究認為N170 的振幅和潛伏期不受隨后的面孔加工影響（Joyce & Rossion, 2005），生命性面孔和非生命性面孔在N170 上沒有差異，也從另一角度支持了面孔生命性信息的加工處于面孔加工的晚期階段的觀點。此外，本研究還發現非生命性和生命性面孔誘發的P3 成分的波幅存在顯著差異。P3 被認為與決策或結果評價中的注意資源分配有關，波幅越大意味著所投入的認知資源越多（Barry et al., 2020）。非生命性面孔誘發的P3 成分大于生命性面孔，表明個體對非生命性面孔具有更大的注意資源分配。這可能由于相對于生命性面孔，非生命性面孔作為日常生活中的非典型面孔，在持續呈現的面孔圖片組中被視為新異刺激，使得個體對非生命性面孔投注了更大的注意資源。如Schwab 等（2021）研究發現以薯條、漢堡等食物擺成的奇異面孔刺激比正常刺激誘發更大的P3 波幅。

5 結論

本研究采用ERP 技術結合參數設計揭示面孔生命性加工的神經電生理基礎，結果顯示LPP 是反映面孔生命性加工的特異性成分，支持面孔生命性晚期加工觀點。生命性等級加工的神經電反應模式呈“U”型激活，且面孔生命性的電反應與面孔生命性的類別指向性有關，面孔類別指向性越明確，電反應越強。這一結果有助于理解仿真機器人面孔知覺過程。