微眼动类型对注意的影响 - 心理学 - 四川师范大学学报（社会科学版）

第43卷第6期

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016年11月

四川师范大学学报(社会科学版)

JournalofSichuanNormalUniversity(SocialSciencesEdition)

Vol.43,No.6

November,2016

微眼动类型对注意的影响

张阳,李艾苏,韩玉,张少杰,张明

(苏州大学教育学院,江苏苏州215123)

摘要:微眼动是人在注视过程中产生的幅度和速率都相对较大的眼动,在注意知觉等认知活动中发挥重要作

用。近来,研究者发现自发的微眼动可以引导注意以促进在微眼动方向上刺激的加工。但迄今为止,还尚未有研

究对单眼微眼动和双眼微眼动与注意的关系进行考察。本研究拟利用高速双眼眼动记录技术对自发的单眼和双

眼微眼动所诱发的空间注意进行考察。结果发现只有双眼微眼动能够诱发空间注意,揭示了微眼动所诱发空间注

意的边界条件。

关键词:微眼动;空间注意;单眼微眼动;双眼微眼动

中图分类号:B842 文献标志码:A 文章编号:1000-5315(2016)06-0029-09

一

引言

眼动是视觉系统探索外部世界的一项重要的工具,在注视点校正、注意转移及视觉融合等多个认知过程

[1]

中都扮演着重要的角色。早期研究者认为幅度较大的眼动只存在于视觉搜索过程中,直到Dod_ge首次发

现在注视过程中亦存在有相当幅度的眼动(大于0ꢀ15度,约相当于12个感光细胞)。研究者们将这一注视

过程中的较大幅度的眼动称为微眼动(microsaccade),认为其在注视偏差矫正和消除视觉衰退上起着重要

[2-4]

[5-7]

的作用。随后,越来越多的研究者发现微眼动还参与到了多种高级认知过程中,如注意和知觉等。因

[8-11]

而,微眼动得到了研究者们越来越多的关注,逐渐成为了视觉领域的几个研究热点之一。

在微眼动研究中,探索其与空间注意的关系是近年来的一个热点。早先的研究多关注于伴随注意发生

[8-13]

的微眼动,即注意是否以及如何影响微眼动。与这些研究不同,Yuval-Greenber_g,Merriam及Hee_ger

[14]

首次从相反的视角对微眼动和注意的关系进行了探讨,即对自发微眼动能否诱发注意进行了考察。在他

们的研究中,当探测到被试发生微眼动后,在微眼动的相同或者相反的方向呈现一个需要被试反应的目标刺

激,结果发现,相较出现在微眼动相反方向上的目标刺激而言,被试对与微眼动方向一致的目标刺激有更高

的反应正确率。这一结果表明,微眼动不仅能受到注意的调节,其本身也可以诱发空间注意。

然而,大量研究表明微眼动包含单眼和双眼微眼动两种成分。单眼微眼动指在一只眼发生微眼动期间,

[15]

另一只眼始终发生漂移(幅度和速率都较小的注视眼动);双眼微眼动则是指两只眼同时发生微眼动。那

收稿日期:2016-07-26

基金项目:国家自然科学基金青年项目“三维大小错觉加工的时程机制”(31300833)和面上项目“三维空间视觉返回抑制的认

知神经机制”(31371025)。

作者简介:张阳(1982—),男,重庆石柱人,博士,苏州大学特聘副教授,研究方向为视知觉,注意和微眼动;

李艾苏(1993—),女,江苏常州人,苏州大学教育学院硕士研究生,研究方向为注意和知觉;

韩玉(1993—),女,湖北武汉人,苏州大学教育学院硕士研究生,研究方向为注意;

张少杰(1990—),男,山西吕梁人,苏州大学教育学院硕士,研究方向为注意和微眼动;

张明(1959—),男,吉林长春人,博士,苏州大学教育学院特聘教授,研究方向为注意、工作记忆。

29

四川师范大学学报(社会科学版)

么,究竟是哪种微眼动诱发了空间注意呢,即微眼动诱发的空间注意是否受到眼动类型的调节呢? 迄今为

止,还未有研究对此问题进行探究。本研究正是拟利用高速双眼记录技术对不同类型的微眼动在诱发空间

注意上的差别进行考察。

在本研究中,实验采用同Yuval等类似的任务,在探测到不同类型的微眼动(单vs.双眼微眼动)后,在微

[14]

眼动的方向或者控制方向随机呈现一个_gabor小片,并要求被试对该目标刺激的倾斜朝向做出反应。若

微眼动对于注意的诱发不受微眼动类型的制约,则预期在单双眼微眼动条件下,微眼动对注意都有诱发并且

两者无显著差异。若微眼动对于注意的诱发受到微眼动类型的制约,则预期有且只有一种微眼动能够诱发

注意,或者两者都可以诱发注意,但是注意的诱发量存在显著差异。

这样的设计也有助于我们对微眼动研究领域另一个重要的问题,即不同类型的微眼动的朝向空间分布

进行进一步的量化研究。尽管En_gbert发现,单眼微眼动和双眼微眼动的朝向在空间分布上有很大的差异

(双眼微眼动绝大部分存在于水平方向,而单眼微眼动在水平方向和垂直方向上均匀分布)(参见图₁,其中

A图是双眼微眼动的朝向的空间分布图^,^绝^大^部^分^双^眼^微^眼^动^为^水^平^微^眼^动^;^图^是^单^眼^微^眼^动^的^朝^向^的^空

B

[15]

间分布图,水平微眼动和垂直微眼动并无显著差异。) 。但需要指出的是En_gbert分析和比较主要是基于

单纯的延时注视任务而进行的,考虑到一方面延时注视任务本身会抑制微眼动的产生,另一方面长时间注视

引起的注意起伏会影响到微眼动的各个参数。在非延时任务中(如线索ꢁ靶子范式),不同类型的微眼动的

参数特征或许会有变化。本研究还可以对不同类型的微眼动的朝向的空间分布特征进行探讨。若单双眼微

眼动的朝向在空间分布无显著差异,则预期单双眼微眼动的数量在水平和垂直方向均匀分布。若单双眼微

眼动的朝向在空间分布有显著差异,则预期单双眼微眼动在水平和垂直方向分布不均匀,偏向于某一方向。

图1.延时注视任务中单双眼微眼动的朝向的空间分布图

二

实验

实验中被试在完成微眼动实验前,需要先完成一个刺激阈限探测的任务,目的是将被试的反应正确率保

持在一个适中的水平,以消除天花板和地板效应对实验结果的影响。对于每个被试,通过阈限探测任务来确

定其70%的正确率所对应的刺激强度(_gabor小片的朝向倾斜角度),并将之应用到随后的微眼动实验中。

(一)被试

本研究随机招募了19名获得报酬的大学生参与实验,其中男性被试5名、女性被试14名,平均年龄23

_±₃_ꢀ₄₆_岁_。所有被试视力正常或矫正视力正常,且在过去未参加过类似的实验,在实验结束前对实验目的

不了解。

(二)设备、刺激

实验在安静、微暗的环境中进行。实验程序采用运行于MATLAB(版本号R2011a)平台下的心理学编

程工具包Ps_ychtoolbox编制而成,运行于带独立显卡的微型计算机上。显示屏为19英寸的FlexScanCRT

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张

阳

李艾苏

韩

玉

张少杰

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明

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显示器(型号为T766),分辨率为1024*768,刷新频率为120Hz。实验中,本研究要求被试将头部固定在距

显示器约65cm的下颌托上,被试通过游戏机手柄对实验任务作出按键反应。利用E_yeLink1000高速眼动

仪记录被试的双眼运动情况,采样率设为1000Hz。

(三)阈限探测任务流程

该任务用于确定每个被试70%正确率的刺激阈限。每次测试的流程如下:被试需要在盯着屏幕的中央

注视点(0ꢀ2°视角)1000毫秒后对呈现外周5ꢀ5°位置的八个_gabor小片(刺激大小为1°,对比度为100%)中

随机选定的一个_gabor小片的朝向按键做出辨别反应。如果刺激顺时针偏转,则按右键,如果刺激逆时针偏

转,则按左键。刺激的偏转角度一共有8个等级(从0ꢀ8°均匀增加到6ꢀ4°)在任务中随机呈现。被试一共完

成4组测试(每组64次测试),即每个等级的刺激呈现32次。实验结束后,针对每个被试利用正态累计函数

拟合其对刺激的心理反应曲线,并根据该曲线确定70%正确率的刺激阈限,即_garbor小片的偏转角度。

(四)微眼动任务流程

图2.微眼动实验中一次测试的实验流程

图2呈现了正式实验中一次测试的流程。在每组实验之前,被试需要进行标准的九点校正和验证,以确

定双眼和屏幕位置的线性投射关系。每次测试以被试盯住中央注视点并按键完成漂移矫正开始,并以被试

[15]

在按键后的2000毫秒内的眼动数据来计算出当前测试的微眼动识别阈值(以6倍标准差为阈值 )。如果

被试在这段期间有眨眼或者注视位置大幅度地偏离了中央注视点,则这些采样点将被实时剔除,并且延长注

视时间,直到眼动仪采到2000个有效的采样点,若被试在4000毫秒内还未采到2000个采样点,则重新进行

漂移校正并重新开始采集2000个有效采点。

随后利用计算得到的阈值对随后出现的微眼动进行探测。当程序探测到微眼动出现后,会在中央注视

点周围同时呈现八个均匀分布的刺激(_gabor_patch,刺激偏离垂直方向某个角度)100毫秒,随后呈现一个随

机指向某一刺激位置的箭头500毫秒。40%的试次中箭头指向与微眼动的方向相同,40%的试次中箭头的

指向于微眼动的方向相反。要求被试在箭头消失后对其所指向刺激的倾斜方向做出按键反应,若刺激相对

于垂直线顺时针偏转,则按右键;若刺激逆时针偏转,则按左键。随后中央注视点改变颜色起到对被试的反

应给予反馈的作用(绿色和红色分别对于正确和错误反应)。试次间的间隔时间为1000ms。在剩余的20%

的试次中,当被试完成2000个采样点的采集之后,无需检测微眼动的出现,而是间隔同上一次测试中相同的

呈现时间后,呈现刺激,并在这之后呈现一个随机指向某一个刺激的箭头。图3是微眼动幅度分布和速率-

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四川师范大学学报(社会科学版)

幅度图,其中,A图为双眼微眼动幅度分布图,B图为单眼微眼动幅度分布图,C图为双眼微眼动幅度ꢁ速率

的散点图及其拟合曲线,D图为单眼微眼动的幅度ꢁ速率散点图及其拟合曲线。

图3.微眼动幅度分布和速率ꢁ幅度图

每个被试需要完成10组测试,每组55个试次。整个过程中注视点始终呈现,并且要求被试的头部固定

在下颚托上。

(五)实验设计

本研究采用2(微眼动类型)×2(箭头类型)的两因素被试内设计。微眼动类型有2个水平:单眼微眼动

和双眼微眼动;箭头类型有2个水平:在一致条件下,箭头指向与微眼动方向夹角最小的刺激,在不一致条件

下,箭头指向与微眼动方向夹角最大的刺激。

三

分析和结果

(一)分析

考虑到通过眼动仪实时在线提供的眼动数据是已经完成滤波处理的数据,为进一步提高分析精度,我们

利用记录得到的未经滤波的眼动数据进行了事后重分析。即首先利用E&K微眼动算法对注视点出现到刺

激出现这段时间内的眼动数据进行分析,找出刺激呈现前的最后一个微眼动,并依据该微眼动方向同箭头呈

现方向的匹配性对试次进行分类(一致vs.不一致条件)。具体而言,将整个极坐标等分为10个区间,每个区

间夹角为36度,当微眼动方向与箭头的夹角在36度之内时,本研究将其判定为一致条件,当微眼动方向与

箭头夹角在144度之外时,本研究判定为不一致条件。分析过程中依照前人处理方法,剔除了幅度大于2度

[16]

视角的微眼动 ,并剔除了在任一条件下正确率小于50%以及在任一条件下微眼动次数小于15次的被试。

最后对分类得到的数据进行两方面的统计分析:1.分别比较单、双眼微眼动条件下的空间注意效应,即各自

条件下一致和不一致条件下的被试正确率的比较;2.将单眼微眼动和双眼微眼动按朝向分为水平或垂直微

眼动,以对其在空间分布上的差异进行分析。

(二)微眼动诱发的空间注意效应

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张

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韩

玉

张少杰

张

明

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实验共得到微眼动9576个,其中单眼微眼动2461个,双眼微眼动7115个,其对应的分布如图3的A和

B所示^。^对^其^幅^度^和^速^率^的^观^察^发^现^,^两^者^呈^显^著^的^线^性^关^系^〔^图⁴^相^关^系^数^分^别^为0ꢀ51^和0ꢀ56^〕^,⁽*p<

[17]

0

ꢀ05^;nꢀs

不显著)这和前人的研究结果相契合 ,表明本研究中所采用的微眼动算法是有效合理的。

图4.双眼和单眼微眼动诱发的空间注意效应

图4呈现了单、双眼微眼动中一致和不一致条件下的反应正确率。统计分析发现,双眼微眼动诱发了显

著的注意效应,t₁₆=2ꢀ51,_p=0ꢀ023,被试在一致条件对靶刺激的判断正确率显著地高于不一致条件下对靶

刺激判断的正确率。这一效应却未在单眼微眼动条件下达到显著,t₁₃=ꢁ1ꢀ64,_p=0ꢀ125,单眼微眼动条件

下被试并未在一致和不一致条件间表现出对靶子加工正确率的显著差异。

图5.微眼动朝向的分布图

(三)微眼的空间分布

图5呈现了双眼和单眼微眼动各自的空间分布,其中,A图为双眼微眼动的朝向在空间内的分布,B图

为单眼微眼动的朝向在空间内的分布。根据微眼动方向与水平方向和垂直方向的夹角,将微眼动分为4个

部分(与水平方向夹角在45度之内的左右两个部分和与垂直方向夹角在45度之内的上下两个部分),统计

分析发现,无论是双眼微眼动还是单眼微眼动中,水平方向微眼动的数量都显著地多于垂直方向的微眼动

2

2ꢀ76^,df=3^,p<0ꢀ05^,^水^平^和^垂^直^方^向^的^微^眼^动^数^量^分^别^为5771 1344

和 ;单眼微眼动,χ

=

(

双眼微眼动:χ

和 )。对双眼微眼动和单眼微眼

=

109ꢀ38^,df=3^,p<0ꢀ05^,^水^平^和^垂^直^方^向^的^微^眼^动^数^量^分^别^为1489 972

动中水平方向微眼动所占的比例进行的卡方检验,发现双眼微眼动的水平微眼动比例显著大于单眼微眼动

2

的水平微眼动的比例(χ=128ꢀ84,df=1,_p<0ꢀ05),这表明比起单眼微眼动,双眼微眼动更偏好于水平方

向。

四

讨论

一)阈限探测实验及眼动数据的有效性

适当的任务难度对于探究微眼动诱发的空间注意而言十分重要。若实验难度过低,一方面练习效应和

(

33

四川师范大学学报(社会科学版)

疲劳效应容易对微眼动的效应量形成较大的影响,另一方面任务难度的天花板效应也不利于揭示可能存在

[18]

的由微眼动诱发的空间注意效应。若实验难度过高,不仅任务本身会抑制微眼动的产生 ,而且由此导致

的地板效应也会对实验结果造成影响。实验将阈限探测实验中获得的70%的阈限值运用到微眼动实验中,

结果发现微眼动实验中各个条件下的正确率在70%上下小幅度波动(双眼微眼动一致条件下正确率平均为

₇₂_ꢀ₅₄_%,不一致条件下正确率平均为₆₆_ꢀ₉₇_%,单眼微眼动一致条件下正确率为₇₀_ꢀ₅₆_%,不一致条件下正

确率为75ꢀ86%)。这表明阈限探测实验获得的阈限值与微眼动实验的阈限值相一致,换言之,实验恰当地

保持了中等难度。这一设计最大限度地减少了任务难度对实验结果的影响,提高了实验结果的信效度。

[9][15][19]

另外,对于获得的眼动数据,本研究运用了经典的E&K微眼动识别技术来识别微眼动

,对于采

集到的微眼动数据,绘制了速率ꢁ幅度图,结果表明微眼动速率和幅度高度相关,成线性关系。这也与前人

[17][20]

对于微眼动速率ꢁ幅度的研究高度一致。这一结果在一定程度上也表明研究获得的微眼动数据是有

效的。

(二)微眼动与注意在神经机制上的联系

微眼动的产生机制对于探究和解释微眼动的认知功能有重要意义。已有大量研究表明,微眼动和眼动

不仅在参数特点和激活的脑区这两个方面相似,而且在认知功能如校正视觉偏差、融合视觉等方面也有一致

[5][20-22]

性。因而,微眼动和眼动很可能有共同的神经机制。新近的微眼动理论指出,在注视过程中,上丘综

合了来自额叶眼动区(FEF)、顶叶眼动区(PEF)、辅助眼动区(su_p_plemente_yefields)及感觉系统的输入信

息,形成了视网膜拓扑图,Hafed及其合作者认为如果超过视网膜中央凹一定距离的一些外周细胞被激活,

[

21][23-24]

上丘便发出微眼动指令

。但是,En_gbert等认为,上丘之所以发出微眼动指令,是因为当前注视点的

[18]

激活量超过了某个阈值。Otero-Millan等综合了两者的理论,指出视网膜拓扑图中外周和中央的神经元

[21]

存在相互抑制的关系,在注视过程中两者保持平衡。一旦这种平衡被打破,就会激发微眼动。结合这三

种理论,可以得出外界刺激(如光、声音)可能导致视网膜拓扑图的神经元的兴奋分布发生变化,这种变化会

进而引发微眼动。从这个角度讲,自发的微眼动和注意激发的微眼动在产生机制上具有一致性。需要注意

[8-9][13][25-26]

的是,在注意激发的微眼动中,内隐注意先于微眼动产生,这时微眼动能够表征注意的方向

。但

是,当微眼动自发地产生的时候,微眼动对继而发生的注意可能会有不同的影响作用。目前很少有研究者从

[14]

这个角度去考察微眼动相关的认知功能。本研究正是从这一角度切入,首次考察不同类型的微眼动对注

意的影响作用这一问题。

另外,从注意转移的神经机制来看,现有的大量研究证明空间注意的转移与眼动的神经机制相类

[27-29]

[20]

似。考虑到微眼动与眼动在幅度上具有一定的连续性 ,加之很多研究也表明微眼动是视网膜区域的

一些神经元的激活量(或视网膜区域的外周神经元与当前视网膜中心的距离)超过某个阈值但同时又不足以

[23-24][30]

产生眼动时的产物

,不难推测,注意的转移与微眼动的产生在产生机制上很可能也具有一致性。与

这一观点相吻合,本研究和Yuval-Greenber_g等的研究都一致发现自发双眼微眼动能诱发显著的空间注意

效应,为这一观点的成立提供了直接的证据。

(三)单双眼微眼动在诱发空间注意上的差异

当前对不同类型微眼动注意效应的考察研究发现,只有双眼微眼动能够有效地诱发空间注意。单、双眼

微眼动的这种功能性差异很可能与单双眼微眼动的构成有关。双眼微眼动中左右眼都存在有微眼动,而单

眼微眼动中一只眼存在有微眼动,另一只眼存在有漂移(注视过程中眼睛幅度和速率都远小于微眼动的运

动)。一种可能是单眼微眼动中漂移的介入致使这种结果出现,但是,这并不必然意味着漂移导致了这种结

果。鉴于漂移和震颤(叠加在漂移上高频低幅的眼动)往往同时发生,也很有可能是震颤或者漂移和震颤的

共同作用导致了这种结果。有意思的是,单双眼微眼动的这种认知功能的差异并不仅仅存在于微眼动与注

意的研究中,Martinez-Conde,Macknik,Troncoso及D_yar等在视觉适应的研究中,同样发现了单眼微眼动

和双眼微眼动的抗视觉衰退的效应量并不相同,双眼微眼动的抗视觉衰退的作用远远大于单眼微眼

[31][32]

[15][31]

动。这些研究成果都为不同类型的微眼动在认知功能上存在很大差异这一观点提供了证据。考

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韩

玉

张少杰

张

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微眼动类型对注意的影响

虑到目前很多微眼动和眼动研究在对其认知功能进行考察时,很少对微眼动的类型进行明确的划分,甚至一

些主流眼动仪会默认只采集单眼数据,当前研究的结果表明单眼和双眼微眼动可能在认知功能上存在质的

[14][33-34]

差异,需要研究者引起高度重视

四)微眼动朝向的空间分布的分析

_E_n_g_b_e_r_t_等_的_研_究_指_出_,单眼微眼动和双眼微眼动的朝向在空间分布上有很大的差异:双眼微眼动中绝

。

(

[15]

大部分微眼动为水平微眼动,而单眼微眼动中水平微眼动和垂直微眼动在数量并没有明显差异。但需要

指出的是,En_gbert等记录的数据主要来源于延时注视任务。当前研究利用非延时注视任务,发现无论是双

眼还是单眼微眼动,水平微眼动都显著多于垂直微眼动,尽管双眼微眼动中水平微眼动的比例显著大于单眼

微眼动中水平微眼动的比例。有意思的是,当前关于微眼动神经机制的研究表明水平微眼动和垂直微眼动

[35-36]

很有可能在产生机制上存在很大差异,有不同的激活通路。因此,当前研究发现的微眼动空间分布差异

上的一致性(水平大于垂直微眼动)很有可能提示了这两者不同的认知功能(如双眼视差、精细加工等也存在

[32][37]

一定的差异) 。受限于当前的任务设置,本研究并未对这种空间分布的机制以及其对微眼动认知功能

的影响进行考察,无疑这是一个亟待新的研究来探明的问题。

(五)微眼动在教育中的应用

研究发现微眼动对注意的影响受到微眼动类型的制约,只有双眼微眼动能显著地诱发空间注意。这一

点是研究者在后续考察微眼动的认知功能时需要考虑的。研究的结果对于教育实践中如何高效地筛选、鉴

别注意力缺失症(如注意力缺失多动症)也有一定的意义。本研究和Yuval-Greenber_g等研究一致发现双眼

微眼动同空间注意有着密切的关系,考虑到微眼动任务的简单性(仅要求被试盯住注视点即可),若进一步关

于微眼动个体差异的研究验证了其对于注意缺陷的有效识别性,则其有可能成为一个潜在的快速鉴别这些

注意缺失潜在的指标。需要指出的是,当前研究并未对这一可能性进行考察,因而这一可能在多大程度上有

效还有赖新的研究来探明。

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TheEffectofMicrosaccadeTypesonAttention

ZHANGYang^,LIAi-su^,HANYu^,ZHANGShao-jie^,ZHANGMing

(SchoolofEducation,SoochowUniversit_y,Suzhou,Jian_gsu215123,China)

Abstract^:Microsaccadesarethelargestandfastesteyemovementsduringfixationandplayan

importantroleincognitiveactivitiessuchasperceptualattention.Recently^,studieshavedemon-

stratedthatspontaneousmicrosaccadescanguideattentiontofacilitateprocessinginthedirection

ofmicrosaccades.Butsofar^,thereisnostudyofmonocularandbinocularmicrosaccades.Inour

study^,high-speedbinoculareyemovementrecordingtechniquewasappliedtoinvestigatethespa-

tialattentioninducedbyspontaneousmonocularandbinocularmicrosaccades.Theresultsshowed

thatthespatialattentionisselectivelycapturedbybinocularmicrosaccades^,sowediscovereda

boundaryconditionfortheeffectofmicrosaccadesonspatialattention.

Keywords^:microsaccade^;spatialattention^;monocularmicrosaccades^;binocularmicrosac-

cades

[责任编辑:罗银科]

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