透过神经振荡揭示艾宾浩斯错觉的不同认知机制

学术背景

人类视觉中的尺寸感知并非完全忠实于物理世界，它高度依赖于上下文。例如，当一个物体被多个小物体环绕时，它看起来比被大物体环绕时要大，这种现象被称为艾宾浩斯错觉。视觉错觉为理解视觉世界中的意识体验机制提供了独特的视角。艾宾浩斯错觉可以通过两种认知机制来解释：低层轮廓互动和高层尺寸对比。低层轮廓互动是一种发生在轮廓或特征层面的感官互动，它导致当一个图形被其他图形包围时的感知扭曲。这种机制可能与初级视皮层（V1）内的局部电路相关。而高层尺寸对比则依赖于中心目标与周围诱导物之间的认知尺寸比较，导致它们的尺寸差异在感知上的加强。有关艾宾浩斯错觉的高层尺寸对比机制被认为需要更高视觉区域的反馈连接，特别是从右顶叶皮层到枕叶区的反馈投射。然而，这两种理论的神经机制在很大程度上尚未被探索。

文献来源

本研究由中国科学院心理研究所脑与认知科学国家重点实验室及其他几个研究机构的Lihong Chen和Yi Jiang等作者进行。该论文于2024年11月2日提交，并在Neurosci. Bull.（2024年3月15日）上发表。

研究流程

本研究使用立体视觉错觉呈现和脑电图（EEG）技术，通过操控中心目标与周围诱导物的位置关系，调查艾宾浩斯错觉中刺激范围的变化及其潜在的神经机制。研究包括多个实验步骤：

实验过程

• 实验对象：30名右撇子的健康志愿者（年龄平均为23.3岁）。
• 实验设计和刺激：使用Matlab软件包配置实验刺激，利用20英寸的阴极射线管显示器进行展示。通过调整周围圆圈的水平视差操控中心目标的相对深度位置。

实验1

任务1：观察者需要判断目标相对于诱导物的位置。

任务2：调整一个对比圆的大小以匹配目标。

结果：当目标呈现在与诱导物不同的深度平面时，错觉效应显著减少。

实验2

任务：观察者无需使用立体镜，双眼直接观看刺激，并只需要执行尺寸匹配任务。

结果：在不同视差条件下，错觉效应在高低视差条件下显著减少。

实验3

任务：将四个诱导物呈现在不同的深度平面上，观察者需要判断深度并匹配尺寸。

结果：错觉效应在视觉深度不同的平面消失。

实验4

任务：观察者通过立体镜观看刺激，判断目标相对于诱导物的位置，同时记录ERP数据。

结果：EEG数据显示，在目标周围有大诱导物时，目标诱发的N1和P2幅度更大。在深度条件下，目标产生较大的知觉大小与较低的早期α波功率相关，而在零视差条件下，较大的知觉大小与较高的晚期β波功率相关。

EEG数据记录与分析

记录：使用64电极头帽记录连续的EEG数据。

分析：使用EEGLAB分析EEG数据，过滤低于1Hz和高于40Hz的活动。事件相关频谱扰动（ERSP）在幻觉图形出现后进行基线校正。通过快速傅里叶变换（FFT）方法将EEG数据转换为时间-频率域，分别提取α波（8–13 Hz）和β波（14–25 Hz）振幅。

研究结果

深度线索减少尺寸错觉效应

在深度线索条件下（实验1），错觉效果显著减少。在高、低视差条件下，错觉效应均显著降低。试验3表明，在四个诱导物显示为不同深度平面时，错觉效应消失。

神经振荡与艾宾浩斯错觉的关联

早期α波功率在中心顶叶部位降低与错觉效果负相关。零视差条件下，较大的知觉尺寸在较晚的时间窗口（200–300 ms）中在顶枕部位产生较高的β波功率，且β波功率与行为错觉效应正相关。研究结果表明，诱导α波和β波振荡分别与低层轮廓互动和高层尺寸对比相关。

结论

本研究通过揭示不同频率带的神经振荡在视觉加工不同方面的动态支持，提供了支持艾宾浩斯错觉的两种认知机制的神经生理证据。早期α波功率与低层轮廓互动相关，而相对较晚的β波功率与高层尺寸对比相关。这一发现表明，局部电路在初级视觉皮层和顶枕部位的不同频率带的神经振荡在视觉感知的各个方面动态互相支持。

研究意义

这项研究不仅揭示了视觉感知中的低层和高层认知机制的神经基础，还为未来通过神经振荡调控的视觉增强和感知补偿提供了潜在的应用前景。此外，研究中使用的实验方法和数据分析技术为视觉神经学领域提供了新的研究范式。