第三节 大脑的电活动与心理生理学的基本理论概念

一、脑的电现象

可分为自发电活动和诱发电活动两大类，两类脑电活动变化都在大脑直流电位的背景上发生。脑的前部对后部，两侧对中线都有一恒定的负电位差，约几十毫伏，这就是脑直流电现象。除病理状态，一般在心理活动中，脑直流电并不发生相应变化，所以对其研究较少。

（一）脑电图

在脑直流电背景上的自发交变电变化，经数万倍放大以后所得到的记录曲线，就是通常所说的脑电图（electroencephalogram, EEG）（图2-17）。当人们闭目养神，内心十分平静时记录到的EEG多以8～13次/秒的节律变化为主要成分，故将其称为基本节律或α波。如果您这时突然受到刺激或内心激动起来，则EEG的α波就会立即消失，被14～30次/秒的快波（β波）所取代。这种现象称为α波阻抑或失同步化。这代表脑发生了兴奋过程。近年发现，正常人类被试在高度集中注意力时，可出现40次/秒左右的高频脑电活动，称为40赫兹脑电活动或γ节律。相反，当安静闭目的被试变为嗜睡或困倦时，α波为主的脑电活动为4～7次/秒的θ波所取代。当被试陷入深睡时，θ波又可能为1～3次/秒的δ波所取代。这种频率变慢，波幅增高的脑电变化，称为同步化，从β波变为α波的过程亦属于同步化。相反，变为低幅、快波的脑电变化，成为失同步化或异步化。从宏观角度，异步化表明脑内出现了兴奋过程。疲劳、困倦、脑发育不成熟的儿童和某些病理过程均可出现θ波为主的脑电活动。δ波常出现在深睡、药物作用和脑严重疾病状态。脑电技术的发明人，是一位德国的精神科医生H.Berger，他的本意是想用之诊断精神病，但至今未能成功。因为这种记录技术对于微妙的心理活动来说，实在是太粗糙了。

（二）平均诱发电位

20世纪60年代以来，在计算机叠加和平均技术的基础上，对大脑诱发电位变化进行了大量研究。这种大脑平均诱发电位（averaged evoked potentials, AEP）是一组复合波，刺激以后10毫秒之内出现的一组波称为早成分，代表接受刺激的感觉器官发出的神经冲动，沿通路传导的过程；10～50毫秒的一组称为中成分；50毫秒以后的一组波称为晚成分。根据每种成分出现的潜伏期不同，对早成分用罗马数字标定，分别命名为I波、II等；对中成分按出现时间顺序及波峰极性，分别命名为N0、Na、Nb或Pa、Pb波等。按电位变化的方向性和潜伏期对晚成分进行命名，例如，潜伏期50～150毫秒之间出现的正向波称P100波，简称P1波；潜伏期约150～250毫秒的负向波称N200波，简称N2波；潜伏期约250～800毫秒的正向波称p300波，简称P3波（见图2-18）。晚成分又称事件相关电位（event-related potentials, ERPs），它的变化与心理活动的关系是当代心理生理学的热门研究课题。迄今，事件相关电位的每个波在脑内的起源仍不明了。因此，脑平均诱发电位虽比自发电活动更能反映出心理活动中脑功能的瞬间变化，但对于真正揭露心理活动的机制来说，仅是一种十分粗糙的技术。1992年空间分辨率较高的功能性磁共振成像技术问世，不但没有代替事件相关电位技术，反而使它获得了新生，向提高空间分辨率的方向发展。在仪器的硬件结构上向32、64、128、256通道的密集电极方面发展；在软件方面发展了偶极子的算法，通过高密度分布的电极采集的数据，推算出不同成分在脑深部的起源。

二、心理生理学的基本理论概念

心理生理学以心理因素为自变量，生理参数为因变量，研究正常人在受到心理刺激时，生理参数变化的规律；同时也常用生理参数变化作为指标，判断人的心态，例如，是否疲劳，是否说谎等。认知活动的时序性、心理容量有限性和两类加工过程是它的三个最基本的理论概念，也是理解心理活动中事件相关电位和外周自主神经系统电生理参数变化的基本概念。所以我们先介绍这些概念，再讨论用它们去理解电生理指标变化的理论意义。

（一）认知活动的时序性

Meyer等（1988）系统论述了现代心理时序测量（mental chronometry）的历史渊源、基本模型和存在的问题。Van der Molen等（1991）系统地论述了时序心理生理学的基本原理。由于篇幅所限，这里只能简要地加以介绍。

认知活动的时序性概念至今已经历了150多年的发展历程，从最初的神经肌肉反应时，到现代对复杂认知活动的时序性分析，出现过许多法则和模型，各反映了时序性的不同侧面。然而，时序性原理至今仍面临许多难题，有待继续研究。

1．减法法则

Doder（1868）将刺激—反应分为从简到繁的A、B、C三类。A类反应为单一刺激引起的单一反应，即简单反应时（simple reaction time, SRT）; B类反应要求被试对两类刺激分别给出不同的反应，称为复杂反应时（complex reaction time, CRT）; C类反应要求被试只对多种刺激中的一种给出反应（go reaction），对其他刺激均不反应（nogo reaction），称为反应或不反应时（Go/Nogo RT）。减法法则（subtraction method）是建立在两个假设的前提之下，对这三类反应之间时序性关系进行概括的规则。首先，假设在复杂的认知反应中包括刺激鉴别、反应选择和反应执行等一系列顺序进行的串行过程，前一段不完成就无法进入下一阶段。其次，假设这些串行过程可以简单地“纯插入”（pure insertion）或取消，并不因而改变其他串行过程的时间特点。例如，从复杂反应中可以减去刺激鉴别和反应选择过程，而不影响刺激—反应的简单反应时。

2．相加因子法则

对于许多认知活动来说，并不符合减法法则的两个前提。有些认知活动可以同时进行，有些认知活动增加某一环节，就会明显影响另一些环节的加工速度。为克服减法法则的不足，Sternberg（1969）删除了减法法则中的“纯插入”假设，提出了相加因子法则（addictive factor method）。这一法则的运用可以使我们发现信息加工的阶段性，以及影响这些加工阶段的因子。这一法则的逻辑是简单而明确的。假设某一信息加工过程是由按一定顺序进行的串行加工各阶段组成，这些阶段之间没有重叠现象，则每一阶段可能都存在着特异的因子对其发生影响，它们对该过程反应时的影响是其作用的总和；反之，如果因子F1和F3共同用于同一阶段，则其共同作用的结果并不等于各自作用之和。利用这一法则可以判断信息加工过程的阶段性，Sternberg采用两条推论规则。如果我们的实验数据中，发现两个或多个因素对某一认知过程发生作用时，该过程的平均反应时变化等于各因素单独作用之和，就可以判定这一认知过程是由两个以上的信息加工阶段所组成；相反，这些因素作用的效应是交互的，反应时变化不等于各个因素单独作用之和，则至少可以断定这些因素作用于某一共同加工阶段。由此可见，相加因子法则不需要对比简单与复杂反应过程的减法法则，仅对同一认知过程发生影响的各因子效应进行计算，就可以判断出该信息加工过程的阶段性。运用这一法则的基本前提是，信息加工过程是由彼此在时间上不重叠的一些离散的串行阶段所组成。因此，它的应用范围具有很大局限性。为克服这一局限性，许多学者做了多种尝试，试图更好地解决既不是严格串行，又不是严格离散的认知加工过程的时序特性。由此，在20世纪70～80年代间出现了两类时序特性模型，即栅格模型和连续模型。

3．层次模型

McClelland（1979）为克服相加因子法则的不足，设想几个信息加工过程可以同时并行性进行，这种层次模型（cascade model）并行加工系统与串行离散系统相比，有许多特点：首先，这个系统有许多加工层次，每个层次可以连续激活达到适宜程度向下一层次输出；其次，一个层次的输出是单向性逐级进行的，其信息总为下一层次有效地利用；其三，末级输出可激活一种反应机制，或在几种可能的反应中进行识别和选择性激活；最后，在这一系统中，唯一进行离散性反应的是输出执行环节。由此可见，McClelland的层次模型仍保持着信息加工过程的单向阶段性原则。他设想每个加工层次都由许多处理单元组成，这些单元的激活是连续的量变过程，这些单元激活值的线性积分，决定了该层次信息加工的结果。他认为，这一模型可以较好地解释影响反应时各因素间的交互作用。这种层次模型可以适用于非严格的串行离散加工过程，使其对影响平均反应时的各因子呈现出相加因子法则所揭露的规律。所以，这种层次模型实际上扩大了相加因子法则的适用范围。

4．连续信息流模型

为克服相加因子法则只能用于离散串行加工过程的局限性，Eriksen和Schultz （1979）在其视觉信息加工的实验数据基础上，提出了连续信息流的加工模型（continuous flow model）。这一模型建立在两个假设前提之上，并推出一个重要的结论。首先，他们假设刺激信息在视觉系统中有一个逐渐级量的累积发展过程；其次，当刺激首次呈现时，就引起该系统各个组成成分同时对其进行加工，加工的结果连续地向反应系统传递，在反应系统中启动了较广泛的反应单位矩阵。随刺激的反复呈现或持续性存在，知觉信息的积累，则视觉系统的输出范围就会越来越小，这种范围缩小的过程最终发生了特异的反应。总之，连续模型认为视觉信息加工过程既是并行的又是连续的，目标刺激和背景噪音刺激，可同时引起视觉系统广泛性同时兴奋。刺激的连续性积累是个量变过程，最终导致目标刺激引起的兴奋，达到适宜值产生知觉反应。因此，目标刺激特性和背景（或噪音）特性对认知反应时都有影响。目标与背景刺激引起的效应在视觉系统中竞争性激活，是由于对刺激信息加工的时间分布方式决定的。这种模型可较好地解释背景或噪音对平均反应时的影响，这使它优于相加因子法则的串行离散模型。

5．非同步离散编码模型

前面分别介绍了两大类认知时序模型。减法法则和相加因子法则适用于串行离散阶段性认知模型，层次模型和连续模型是一类连续量变的并行认知加工过程。为了在这两类模型之间架起桥梁，Miller（1982,1988）提出并用实验事实证明了一种非同步化离散编码模型（asynchronous discrete coding model）。这种模型主张刺激的各种属性在许多层次或阶段的加工过程中，非同步地通过各层次或阶段，各自离散地传递到反应机制中，分别启动反应机制的“准备效应”（response preparation effect）。同时，各层次或阶段上的信息加工未完成之前，也能传递到下一阶段或层次上对其产生启动效应。因此，某一认知过程的总平均反应时，不可能像严格离散串行阶段模型那样，等于各阶段耗费时间的总和。某一因素在某一阶段上延长了反应时，它却可能同时启动了下一阶段的反应发生代偿作用，总反应时未必延长。所以，各加工阶段或层次上的离散编码机制在传递过程中非同步性达到下一阶段，结果造成多种复杂的结果，使总平均反应时的预测变得十分困难。这一模型在信息加工多种模型间架起了一个连续的桥梁，其一端分析粒度为零，使之成为连续变换的过程；另一端分析粒度为1，使该过程成为典型的离散过程。因此，非同步离散编码模型的同步差异大于或等于1时，则接近离散阶段模型；同步差异小于或等于零时，则符合连续模型。

认知活动时序概念的上述五个模型，是按历史年代逐渐形成的，模型之间的差异反映了时序概念的发展历程。由简到繁，时序性原理的发展越来越使认知心理学和实验心理学家们感到困扰，使之对仅仅依靠反应时和正确率能否准确推断信息加工的微过程产生了疑惑。一些认知心理学家认为，反应时和正确率只是认知活动的最后表征方式，而无法揭露其中间过程。所以，他们把希望寄托于心理生理学参数的时序性，可能生理参数的时序性对认知微过程能给出更多的科学资料。认知活动的时序性模型成为心理生理学分析信息加工结构特性的重要基础。串行还是并行，离散性还是连续性问题，都是加工过程的结构属性。与此不同，心理容量或心理资源的概念则与信息加工的效率有关，是认知心理生理学的另一个重要理论概念。

（二）认知活动的容量有限性

心理容量（mental capacity）、心理资源（mental resource）或能量（energitics）在文献中常常作为同义词相互代替。这一概念最早出自于James（1890）的著作《心理学原理》。20世纪50～60年代，工程心理学和认知心理学赋予其以新的含义。自20世纪80年代，它们成为认知心理生理学的重要理论概念。

在工程心理学中，Knowles（1963）提出了人类作业的操作模型。他认为，作为操作者的人好像是容量有限的资源库（1imited capacity resources），面对一些工作任务时，这种资源可以分配地利用。20世纪70～80年代，工程心理学热衷于测量不同工作负荷时，已经利用的和可以利用的能量，以及这种测量的主观心理参数和客观生理指标。Kahneman（1973）明确指出，注意的容量模型是指完成心理操作时可以利用的能量。Norman和Bobrow（1975）分析了双项任务作业中容量或资源分配问题，提出了作业-资源函数中资源限定（limited-resource）的加工过程和数据限定（limited-data）的加工过程。Wickens（1984）在总结资源或容量概念发展的历史资料时，概括出单资源论（single-resource theory）和多资源论（multiple-resource theory）的理论观点，指出工作负荷测试必须综合地分析主任务、次任务参数（primary and secondary task parameters）、生理测量和主观心理测验等四项结果，并综述了许多致力于寻求心理容量、资源、心理能量与生理和物理能量间相互关系的研究报告。他指出瞳孔、心率、区域性脑血流量、脑区域性葡萄糖代谢率和平均诱发电位等生理参数，均可作为心理资源分配的重要生理学参数指标。同时，他也指出，没有一项生理指标可以完全代替心理资源的全面分析。Brown（1982）指出心理负荷（mental load）是多维度的，任务要求可能是感觉、知觉、注意、知觉运动等多方面的，随时变化的。心理负荷和心神耗费（mental effort）并非完全一致，前者常用任务要求的难易加以度量，后者用执行任务者的主观努力程度加以度量。然而，面对同一难度的任务，不同人可能采用不同策略，耗费心神的程度也相差很大。除了个人能力、技能的不同，还有动机因素。总之，心神耗费、任务要求和动机水平三者相互制约，决定了心神耗费的测量是十分困难的问题，必须同时进行任务分析、主观评定，还应对双重任务中心理资源的分配和适当的生理指标等加以综合分析。Eysenck（1982）认为，动机、唤醒水平、人格特质等多种变量，对于完成某项作业所需的心理资源或耗费心神的程度均有一定关系。对引导性刺激作用的分析，是研究这种复杂关系的较好途径。他概括了这类刺激对作业的8种影响：① 它可以增强选择性注意这一控制加工过程；② 加速内部信息加工过程和外部的行为反应率，但往往降低作业质量；③ 影响内部动机状态，也常引起动机水平的波动或焦虑状态；④ 常常不利于作业的持久性改善，因为它能降低本能的动机水平；⑤ 较强的引导性刺激降低并行共享的信息加工过程；⑥ 增高唤醒水平；⑦ 与作业成绩的关系是曲线性的；⑧ 可能增加注意的涣散力。在这8种影响中，较为重要的是信息并行加工过程的降低，可导致信息的有效利用率降低，这是引起作业成绩变差的主要原因。刺激与作业成绩的曲线关系可能最初改善作业成绩，是由于其增强选择性注意的信息控制加工过程。随后由于它引起自动加工过程的并行处理变差，以及动机的波动或焦虑状态，因此又引起作业成绩的下降。

通过上述讨论，我们不难理解心理容量的一般属性。首先，心理容量具有有限性，这种有限性常常决定了认知活动或心理操作的效率。知觉的通道容量有限性、短时记忆的容量有限性、选择注意的容量有限性，分别决定了知觉、记忆和注意功能的效率。除了有限性之外，容量的共享性和可分配的灵活性是两个息息相关的属性。人们在同时执行几项认知任务时，这些性质不同的任务可以共享心理容量。而心理容量能灵活地主动分配在这些认知任务之中，以确保主要任务的精细完成，同时兼顾次级任务。

（三）自动加工过程和控制加工过程

在认知心理学中，心理容量的概念与两种信息加工过程的研究密切相关。Posner和Snyder（1975）最先提出了关于信息加工中的自动激活概念，指出这一概念的3个操作标准：不是在意识控制下进行的；主体对此过程一无所知；该过程并不干扰其他心理活动。Posner（1978）进一步指出：自动激活的信息加工过程是以往学习的结果，是内在编码及其联结在重复刺激作用下的激活。他还提出，与此相对应的是注意过程，其特点为容量有限性（1imited capacity）。Schneider和Shiffrin（1977）明确而完整地提出了信息加工中控制过程和自动过程的概念，用以对选择性注意、短时记忆搜索和视觉搜索等心理过程进行综合解释。Schneider等（1984）进一步指出，自动过程是一种快速的并行传入过程，也是一种不费心神，不受短时记忆容量限制，不受主体意识直接控制的加工过程。自动加工过程是主体对同一刺激多次重复应用而发展起来的，是熟练技巧行为的基础。与此相对应的控制加工，是一种缓慢的串行传入过程，也是耗费心神、容量有限的加工过程，又是主体对不断变化的刺激进行反应的过程。因此，控制过程由主体随意加以调节。Kahneman和Treisman（1984）明确总结出自动加工过程的三个标准：非随意性、不需意志参与即可自动开始，一旦开始也无法随意终止；自动加工过程不耗费精力，它既不受其他随意活动的干扰，也不干扰其他随意活动；几种自动加工过程可以同时并行性地进行，彼此没有干扰，没有容量限制，无意识地进行着。

Hasher和Zacks于1979年就将记忆的耗费心神的加工过程和自动加工过程（effortful and automatic processes in memory）作为研究记忆的理论框架。他们将耗费心神的加工过程，称为意识的控制过程，是练习和精细的记忆活动，它的发生常常干扰其他认知过程。与耗费心神的意识控制过程不同，自动加工过程从有限容量的注意机制中吸取较小能量的心理操作，它的发生不干扰其他认知活动的进行。他们将自动加工过程分为两类：一类是制约于遗传性的自动加工过程，随着学习和实践而不断提高的加工过程，是熟练技能的重要基础。Johnson和Hasher（1987）又将自动加工过程称之为非意识的、无策略的加工过程和无策略的加工记忆（memory without strategic processing）。

有意识的学习（intentional learning）与无意识的学习（incidental learning），外显的或自觉的记忆测验（explicit）与内隐的或不自觉的记忆测验（implicit）之间的不一致，已成为研究记忆的焦点。通过重复启动效应，即对刺激的加工由于受到过去经历的同样刺激的影响而得到促进的现象，揭露了内隐记忆的许多规律。Fridrich、Hehik和Tzelgov（1991）研究了词汇存取过程中的自动过程。他们认为，语义启动机制中视觉的、语音的和语义表征间的编码，存在着固有联结性、自动激活或扩散性激活，这种联结性会造成完全自动的启动效应。这种扩散性激活的完全自动的启动效应对记忆过程来说，是一种快速的易化机制。基于与主词相关的目标期望集所引起的注意过程参与下，可能实现一种非自动启动机制。这种非自动启动机制在注意分配变化时需要一定的时间，所以是一种慢过程，既包括相关词提取的易化过程，也包括无关词提取的抑制过程。自动的和非自动语义启动机制均发生在词汇存取之前。启动词和目标词之间的语义匹配，则是词汇决策之后发生作用的机制。由此可见，对于语词记忆启动效应的研究，引出自动加工和非自动加工过程间的复杂关系，是当前记忆研究中的核心问题。

两种信息加工过程的概念在知觉理论中的意义，可以通过3种知觉理论加以分析，即特征结合理论、RBC理论（recognition-by-components, RBC）和拓扑计算理论。特征结合理论由Gelade（1980）提出，10年后加以修正，近年仍在深入研究、继续完善之中。这一理论将知觉形成过程分为两个阶段：前注意（preattentionalstage）和注意阶段（atten-tionalstage）。前注意阶段对物体各种特征进行搜索，各种特征形成多维向量，如颜色维度、方向维度、位置维度等。这种搜索过程不需注意参与，因而是自动加工过程。注意参与下的串行加工过程，可将各维度上的特征加以结合，实现特征结合的目标。注意集中参与的控制过程，才能很好地实现特征结合，否则注意分散将会造成知觉模糊或错觉（错觉性特征结合）。当某一维度上的目标或特征非常明显，则注意引导的搜索过程很快指向该特征。目标必须定位地与其他特征分离出来，才能保证不发生错误结合。否则在许多搜索任务中，特征结合可能是伪装的或错误的。由此可见，这种知觉理论强调资源有限的注意过程在特征结合中的重要作用，而自动加工过程只为控制过程提供可选择性结合素材。在特征结合理论的基础上，Duncan和Humphreys（1989）明确地将视觉搜索的加工过程分为三个阶段：不受资源限制的并行性自动加工过程，竞争性匹配过程和视觉短时记忆阶段。第二、三阶段是注意资源有限的过程。可见，后两个阶段都是控制加工过程。对于不受注意资源和记忆容量限制的，自动激活的无意识知觉过程，又称为阈下知觉。对它的研究大大地丰富了知觉理论。

时序性、心理容量和两种信息加工过程与心理生理学参数的关系，是认知心理生理学的核心理论之一。在后面的一些章节中，我们将会涉及这些理论概念。