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倒立时为何识别能力下降?航天与地面实验共同作答
发布时间:2022-07-29     作者:孙明源   来源:科技日报   分享到:

科技日报实习记者 孙明源

近年,我国载人航天发展如火如荼。“高高在上”的太空成为了开展科学实验的新场所,与常规的地面实验室一起,共同助力于科学家的研究。最近,科学家们就通过航天和地面实验,进行了生物运动知觉的研究,解答了为何人类倒立时识别其它生物的能力会下降。

面对运动着的动物,生物运动知觉使得我们可以无需复杂的思考,就可以凭借直觉迅速地判断出该动物的类别与行为。而如果面对的是人,我们还能迅速地判断出他的身份、情绪和意图。可以说,生物运动知觉对于人类具有重大的意义。

但是,科学研究已经发现,生物运动知觉受到众多因素影响,某些干扰可能会导致其敏感度下降甚至“失灵”。科学家们曾做过一个实验,他们把几个光点附着在运动生物的关节上,再把这些光点的运动动画交给被试者观看。结果表明,凭借出色的生物运动知觉能力,人们可以很轻松地检测到生命体的存在,并从中提取出丰富的生物社会信息。但是,如果把这些光点动画以倒置的方式呈现出来,人们对其中信息的感知能力就会显著地变差。

既然生物运动知觉能力如此重要,那么为什么这种能力会受到视觉刺激朝向制约?“倒置”为什么会导致生物运动知觉下降?我国科学家开展的一项研究揭示了可能的答案。

由中国科学院心理研究所(以下简称中科院心理所)、脑与认知科学国家重点实验室蒋毅研究团队与中国航天员科研训练中心人因工程国家级重点实验室陈善广研究团队合作发表在《自然·通讯》杂志上的一项新成果表明,这种现象背后的关键因素是重力。

新研究对两种假说加以检验

“生物运动知觉是人类的本能。实验表明,刚出生的婴儿就对生物运动有感知,并且偏爱正立而非倒立的生物运动。其它一些动物,比如小鸡,也表现出类似的偏好。” 论文的第一作者、中科院心理所副研究员王莹在接受科技日报记者采访时说。

王莹介绍:“在小鸡实验当中,刚孵出的小鸡对正立的母鸡运动动画会做出反应,例如模仿母鸡的朝向和动作。而面对倒立的运动动画,小鸡却没有类似反应。我们人类和小鸡一样,都对正立的生物运动更敏感,说明这种敏感性可能是长期进化的产物。这种现象的进化意义在于,它能帮助我们选择性地对符合地球重力作用的运动模式反应,从而更有效地探测环境中生命体的存在。”

然而,人类对正立生物运动刺激相对于倒立刺激的知觉优势,究竟是如何形成的呢?有两种假说可以解释。

第一种假说认为,人类对正立运动的敏锐感知完全源自于视觉经验,就像是人们更容易识别正立面孔一样,看得多自然识别得好。第二种假说认为,这一现象或与作用于生物体,包括人类自身的地球重力的影响有关。

“这里的重力影响,指的不仅是生物运动动画中包含的重力加速度信息,也包括观看者大脑对自身接收的重力信号的感知。地面上的人类始终处于地球重力场当中,我们的大脑前庭系统不断接收、处理重力信号,并且进行实时计算。这种计算有可能为符合地球重力作用的视觉运动信息,也就是正立的视觉运动信息的加工提供便利,从而让我们对正立的生物运动更加敏感。”王莹说。

假说是现代科学的基石,也是一切科学理论的基础。可是,仅仅有假说还是不够的,只有实验才能支持抑或是证伪假说。

为此,科学家们设计了专门的实验,来检验上文提到的两种假说。而开展实验的理想环境之一,就是天然的失重环境——太空。

空地两项实验共同支持重力假说

太空,是天然的失重环境,也是许多科学实验难得的开展场所。得益于我国载人航天领域“面向长期空间飞行的航天员作业能力变化规律与机制研究”的前瞻设计,航天员科研训练中心科技工作者的精密组织,以及中国航天员辛勤的“接力”实施,中科院心理所和中国航天员科研训练中心的研究人员积累了许多来自太空的宝贵实验数据。

通过航天实验,研究者发现,暴露于太空失重环境约一周之后,每位航天员对于正倒立生物运动动画的感知差异都明显变小了,即知觉上的倒置效应减弱。这说明,该效应在个体间具有高度的一致性,初步证明了身处地球的重力环境是产生朝向特异的视觉生物运动知觉敏感性的关键因素。

为了进一步检验这种效应是由于失重,还是由于航天实验环境、练习效应等与重力无关因素引起的,研究者又实施了两个控制变量实验。结果发现,在正常地球重力条件下,无论是在模拟航天实验的幽闭环境中进行测试,还是进行反复的练习,被试者都没有表现出生物运动知觉倒置效应的减弱。因此,实验排除了非重力因素的影响,把可能的影响因素明确“锁定”在了重力之上。

为了验证航天实验的发现,研究人员又在地面开展了一项模拟失重效应实验。实验采用-6°的头低位卧床方法模拟航天对人的影响。该方法可以诱发类似失重状态下的体液头向转移,带来生理和前庭响应上的改变。结果表明,45天头低位卧床实验产生了和航天实验类似的影响,显著降低了被试者的生物运动知觉倒置效应。

在地头低位卧床实验中,研究人员还测量了面孔知觉的倒置效应,也就是看长时间失重之后,人们对“正立的脸”相对于“倒过来的脸”的知觉优势是否会减小。结果表明,这种效应是不存在的。也就是说,“倒着的脸”和“倒着的运动”对于人脑来说并不一样。前者更多依赖于对形状信息的加工,主要受制于视觉经验,而后者包含了对运动信息的加工,受重力影响显著。

在心理学的众多分支当中,认知心理学最为重视行为现象背后的神经机制研究。因此,在头低位卧床模拟失重前后,研究者还利用功能磁共振成像技术扫描了受试者的神经活动。结果表明,负责生物运动加工的pSTS脑区活动及其与处理重力信息的前庭系统活动的功能连接在模拟失重后都表现出了显著变化。

“这一系列结果都有力地支持了第二种假说,即前庭重力计算参与塑造了人对视觉生物运动朝向特异的知觉敏感性。”王莹总结说。

太空实验与地面模拟实验相结合,“天地呼应”是该研究的亮点之一。航天领域科研团队与脑认知领域研究团队密切配合,是该研究的宝贵经验。其中,载人航天工程副总设计师、中国航天员科研训练中心人因工程国家级重点实验室主任陈善广团队在太空实验与地面模拟实验的策划、设计和组织实施中发挥了重要作用。

未来还将研究非生物运动识别

作为基础研究,目前该研究取得的成果只是一个开始。科研人员期待着在未来继续开展研究,以增进人们对失重条件下人类视知觉变化规律的理解和利用。

“目前,我们研究的是生物运动知觉,而非生物运动同样值得关注。航天员在太空重力条件之下,既要和队友打交道,又要操作各种不具有生命性的仪器,接触到各类视觉信息。全面把握失重影响人类视知觉的规律,才能为航天员的太空作业提供更多便利,促进航天器人机界面的优化设计来提高航天员作业效率、降低航天员作业负荷。这也是我们的研究在未来潜在的应用方向之一。”王莹介绍说。

“此外,了解不同重力条件下人脑的可塑性,也有望为探索深空提供帮助。例如,月球的重力条件和地球不同,运动知觉研究或有助于评估登月活动对人脑认知功能的影响。我们合作团队的成员都期待在未来能共同开展更多的航天实验,为我国的航天科研事业继续贡献一份力量。”王莹表示。


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