李 丹 楊昭寧

(曲阜師范大學教育科學學院 曲阜 273165)

日常生活中, 我們通常會依靠路標(landmarks)來進行空間導航(spatial navigation), 如我們能根據(jù)指示牌到達目的地, 利用目標附近的高大建筑物選擇最近的路線。此外, 我們也會依靠自身運動信息(self-motion information, 主要是內(nèi)部感覺和視覺), 通過記錄位移與旋轉(zhuǎn)信息以不斷更新自己的位置表征, 此過程即為路徑整合(path integration)。路徑整合能提示我們走了多遠, 轉(zhuǎn)了幾次彎以及轉(zhuǎn)的方向。

在自然環(huán)境和人工環(huán)境中, 路標與自身運動信息都可以幫助我們進行導航。然而, 我們是如何使用路標與自身運動信息的？即在加工路標的同時, 路徑整合是否也在工作; 同時利用路標與自身運動信息是否比單獨利用路標或自身運動信息的導航表現(xiàn)更佳。路標加工與自身運動信息加工之間的作用如何？即路標學習是否會促進或干擾路徑整合; 路徑整合是否又會反過來促進或干擾路標學習。前人對路標與自身運動信息的使用問題進行過相關的實證研究和理論研究, 然而各項研究所得出的結(jié)論莫衷一是。為此, 本文將綜合相關研究, 對路標與自身運動信息的使用問題進行再探討, 并在此基礎上, 對路標學習和路徑整合之間的作用進行初步探討。

1 核心概念與神經(jīng)基礎

1.1 路標和路標學習

路標通常是指在環(huán)境中醒目、穩(wěn)定、告知位置信息的可視物體(Lew, 2011; O'Keefe & Nadel,1978)。Chan, Baumann, Bellgrove和Mattingley(2012)按照路標在導航中的功能將其分為四類：信標(beacon, 精確指示目標或位于目標附近的單一物體)、方向線索(orientation cue, 提供關于某人當前朝向方位的視覺線索)、聯(lián)想線索(associative cue, 與導航相關信息形成聯(lián)結(jié)的單一物體)和參照框架(reference frame, 環(huán)境的幾何特征, 如邊界, 它為空間表征與定位提供框架)。Wang, Mou和Sun (2014)的研究表明人類在不同的導航經(jīng)歷中會形成不同的路標知識(引導的路標知識, 位置識別的路標知識, 以及路標序列的知識)。路標信息的獲取包括復雜的感知和學習過程(Etienne &Jeffery, 2004), 我們把加工獲取路標信息的過程稱為路標學習, 其包括對路標特征進行識別、記憶, 以及對路標和目標的關系進行記憶, 即使路標與目標之間形成聯(lián)結(jié)。

大量研究表明人類和動物均能利用路標進行空間導航。Smith等人(2008)發(fā)現(xiàn)3～7歲兒童能利用自然路標進行再定向。Bullens等人(2010)發(fā)現(xiàn)成人主要依賴由邊界提供的固定線索, 5、7歲兒童同時依靠并平行利用邊界與其他路標線索進行定位。Youngstrom和Strowbridge (2012)發(fā)現(xiàn)小白鼠在虛擬空間也能單獨利用視覺線索學習到達特定位置。Chen, King, Burgess和O'Keefe (2013)發(fā)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中, 視覺線索特別是路徑兩旁的線索對激活位置細胞(place cell)至關重要。

1.2 以自身運動信息為基礎的路徑整合

自身運動信息通常也稱為本體信息(Mittelstaedt& Mittelstaedt, 1982), 其來源于幾種感覺資源,包括視覺(線性和放射性光流)、前庭感覺(平移和旋轉(zhuǎn)加速度)和本體感覺(肌肉, 肌腱與關節(jié)的反饋信息) (Etienne & Jeffery, 2004)。對自身運動信息的加工整合即為路徑整合(McNaughton, Battaglia,Jensen, Moser, & Moser, 2006), 因此, 在某些文獻中, 路徑整合信息即指自身運動信息。路徑整合最初的含義非常確切：當動物從某一特定地點出發(fā), 通常是巢穴, 動物的一系列位移向量相加, 使得任何時間向量和的相反數(shù)可被計算, 并用于將動物帶回至起點(Poucet et al., 2014)。簡言之, 路徑整合是一個收集運動方向與距離信息的過程,其目的是記錄個體的相對位置。

過繼成思和宛小昂(2014)認為, 路徑整合是通過空間更新(spatial updating)來實現(xiàn)。而無論是人類還是動物, 路徑整合都涵蓋以自我為中心的空間更新(egocentric updating, 即導航者以自身為參照點, 更新環(huán)境物體相對于自己的位置和方向),和以環(huán)境為中心的空間更新(allocentric updating,即導航者以環(huán)境為參照系, 更新自身與環(huán)境物體之間的空間關系)。Mou, McNamara, Valiquette和Rump (2004)認為, 人類導航存在著以自我為中心的更新和以環(huán)境為中心的更新兩個過程。以自我為中心的系統(tǒng)控制個體運動時瞬間的自我-物體空間關系, 保證個體有效避開障礙物, 但不能保證不迷失方向。為保持方向, 個體必須知道環(huán)境中物體之間穩(wěn)定的空間關系, 及自己相對于熟悉物體的位置和朝向, 這由以環(huán)境為中心的系統(tǒng)負責。以自我為中心的更新過程為連續(xù)型路徑整合(continuous path integration), 其中返航向量在旅途中持續(xù)更新; 而以環(huán)境為中心的更新過程為布局型路徑整合(configural path integration), 其中旅行者僅保留部分路徑的工作記憶表征, 只在需要時才進行返航向量的計算。在路徑整合任務中,使用布局型策略的被試返航準確度更高, 而使用連續(xù)型策略的被試返航反應時更短(Wiener, Berthoz,& Wolbers, 2011)。Navratilova和McNaughton (2014)發(fā)現(xiàn), 大鼠路徑整合有兩種用途：第一, 通過僅使用以自我為中心的方向和距離變化, 來計算它到某一位置(如巢穴)的向量和, 此過程不需要以環(huán)境為中心的信息; 第二, 計算它在“認知地圖”中的位置和以環(huán)境為中心的朝向方位, 并且保存目標位置(如巢穴, 食物地點)為地圖坐標?？梢? 此處用途一與人類的連續(xù)型路徑整合一致, 用途二與人類的布局型路徑整合一致。因此, 人類和動物的路徑整合機制并無本質(zhì)不同。

另外, 早期研究發(fā)現(xiàn)人類和動物均能利用路徑整合進行空間導航。例如, Mittelstaedt和Mittelstaedt (1980)利用雌性嚙齒類動物找回幼崽(放置在離巢穴一定距離的淺杯中)的強烈動機發(fā)現(xiàn), 沙鼠可以在黑暗中搜索和徑直返回巢穴的初始位置, 即使巢穴已移除。Andel和Wehner (2004)發(fā)現(xiàn)沙漠螞蟻能利用路徑整合返回巢穴, 并且,Vickerstaff和Cheung (2010)已發(fā)現(xiàn)螞蟻路徑整合的神經(jīng)模型。Tarampi, Creem-Regehr和Thompson(2010)發(fā)現(xiàn)視力嚴重減退的人也能有完整的空間更新。當前神經(jīng)解剖學上的研究表明, 路徑整合對與空間認知有關的腦神經(jīng)細胞的活動也有影響。如Navratilova (2012)提出路徑整合是決定位置細胞在特定位置放電的主要因素, 他在最近的一篇研究中也提到：在一個新的環(huán)境中, 自身運動信息移除后, 位置細胞的激活將受到很大影響(Navratilova & McNaughton, 2014)。

1.3 認知地圖的神經(jīng)基礎

路標與自身運動信息是進行導航最重要的空間線索。導航者通過對路標與自身運動信息及其他空間線索(如嗅覺、聽覺線索)進行加工整合以形成認知地圖。然而, 從空間信息到大腦中的認知地圖,需要大量神經(jīng)結(jié)構的參與。O’Keefe和Dostrovsky(1971)采用電生理方法發(fā)現(xiàn)大鼠海馬中存在著對空間位置信息具有特異性反應的位置細胞, 其整體活動能編碼動物在熟悉環(huán)境中的當前位置。O’Keefe和Nadel (1978)在此基礎上得出了認知地圖位于海馬區(qū)的結(jié)論, 此論斷為后來的研究者不斷證實。因此, 無論是路標、自身運動信息, 還是其他空間線索, 其加工后的信息都將傳導到海馬區(qū), 由位置細胞接收編碼。此后, 不斷有研究發(fā)現(xiàn)與導航相關的神經(jīng)元, 這類神經(jīng)元包括由Ranck(1985)首次在大鼠前下托(presubiculum)發(fā)現(xiàn), 由Taube, Muller和Ranck (1990)進行定量描述, 對個體朝向有特異性反應的頭方向細胞(head direction cells), 其活動反映動物當前朝向的計算; 以及Hafting, Fyhn, Molden, Moser和Moser (2005)在背側(cè)內(nèi)嗅皮層(dorsal medial entorhinal cortex, dMEC)發(fā)現(xiàn)對空間具體定位發(fā)生強烈放電的網(wǎng)格細胞(grid cell), 此細胞能形成坐標系, 可以精確定位和尋找路徑。

然而, 這些神經(jīng)結(jié)構在導航過程中如何發(fā)生聯(lián)系, 空間信息如何在這些神經(jīng)結(jié)構中傳導與加工整合仍是認知神經(jīng)科學和神經(jīng)生物學領域中的難點與熱點, 當前的研究也多是從理論上對其進行推導。如McNaughton等人(2006)認為, 由網(wǎng)格圖(grid network)確定的空間坐標系統(tǒng)與外部路標(熟悉環(huán)境中)聯(lián)結(jié)的過程, 既可能發(fā)生在海馬區(qū)(形成個體環(huán)境、及其環(huán)境中的可辨別事件及與既定事實相關的內(nèi)部狀態(tài)的獨特表征), 也可能發(fā)生在MEC。他們還認為, 從網(wǎng)格細胞傳入的多尺度空間周期輸入的收斂可能會形成海馬區(qū)非周期放電模式。Poucet等人(2014)認為自身運動信息通過MEC的網(wǎng)格細胞傳入, 路標信息通過MEC的似位置細胞(place-like cells)傳入, 其他感覺信息可能通過LEC傳入, 最終均到達海馬區(qū)的位置細胞。

2 空間導航中, 導航者是否同時進行路標學習和路徑整合？

在正常的空間導航中, 路標和自身運動信息同時存在且可靠, 導航者是否會同時加工路標與自身運動信息, 即同時進行路標學習與路徑整合？此問題一直存在爭議, 為此, 我們將通過對已有研究進行總結(jié)分析以深入探討。

2.1 理論模型

獨立輸入模型理論認為, 內(nèi)感信息會被整合形成內(nèi)感表征, 用來指示運動方向; 視覺輸入形成視覺表征, 用來校正累積錯誤, 提供定位信息或改變方向, 個體運動是由視覺表征或內(nèi)感表征引導(Etienne, Maurer, & Séguinot, 1996; Foo, Warren,Duchon, & Tarr, 2005)。Foo等人(2005)采用新捷徑范式(novel shortcut paradigm, 即被試反復練習家到目標一與家到目標二的往返路徑, 然后考察被試直接從目標一到目標二的往返路徑), 在虛擬環(huán)境中的目標或中途設置路標以考察人類在中等尺度的空間中是否建立導航知識, 是否只依靠基于路標的策略進行導航。結(jié)果顯示, 無論路標聚集在目標附近還是捷徑的兩旁, 被試都會被路標牽引, 然而, 當路標看起來不可靠時, 被試會依靠來自路徑整合的粗略的測量知識(survey knowledge)作出判斷。據(jù)此, 他們認為人類在導航過程中能依靠路徑整合獲得測量知識, 但不能整合路標信息以形成精確的認知地圖, 因此只能僅依賴路標或者僅依賴路徑整合進行導航。

多模型表征理論認為, 外部視覺線索與自身運動信息相互作用, 視覺輸入表征和內(nèi)部感覺表征結(jié)合形成一個多模型表征, 多模型表征引領空間導航, 其與視覺形象或認知地圖的作用一致(Etienne & Jeffery, 2004; O'Keefe & Nadel, 1978)。Tcheang, Bülthoff和Burgess (2011)在擬真的虛擬現(xiàn)實中, 通過操縱視覺投影的旋轉(zhuǎn)或平移增益,將視覺輸入從運動相關的內(nèi)部感覺分離。首先,被試在外出路徑中伴隨視覺與內(nèi)部感覺輸入, 并在黑暗中返回至起點。接下來, 被試用調(diào)整的視覺增益進行訓練, 隨后, 在黑暗中進行路徑整合任務(三角形完成任務, 即主試引導蒙住雙眼的被試完成三角形的前兩條邊, 然后脫離引導, 讓被試徑直走回心理上的出發(fā)點)。返回起點任務結(jié)果顯示外出路徑中的視覺和本體感覺信息有助于被試黑暗中返回起點; 三角形完成任務結(jié)果符合多模型表征的預期。

隨著網(wǎng)格細胞的發(fā)現(xiàn), 認知地圖存在且位于海馬區(qū)的觀點得到了廣泛認同。Poucet 等人(2014)在此基礎上提出了兩種狀態(tài)理論：在白天, 由于路標信息到達海馬區(qū)后, 海馬區(qū)到網(wǎng)格細胞的返回信號會抑制網(wǎng)格細胞接收自身運動信息, 視覺線索沖突時(不同線索指示的位置不一致)返回信號會使網(wǎng)格細胞接收自身運動信息, 因此, 海馬區(qū)的活動主要由路標塑造而不是由自身運動信息塑造; 黑暗中, 由于海馬區(qū)到網(wǎng)格細胞的返回通路受抑制, 網(wǎng)格細胞的抑制解除, 可以接收自身運動信息, 因此, 自身運動線索決定海馬區(qū)的活動, 并控制著位置細胞的激活。

2.2 對三種理論的評價

無論是獨立輸入模型理論、多模型表征理論、還是兩種狀態(tài)理論, 三者都認為導航者會加工自身運動信息與路標信息, 但是關于在兩種信息都可用的環(huán)境中導航者是否同時加工兩種信息, 三者存在本質(zhì)區(qū)別。獨立輸入模型理論和多模型表征理論都認為導航者會同時加工兩種信息, 只是前者認為兩種信息表征根據(jù)導航條件先后起作用,獨立引導運動, 不同條件下導航者的表現(xiàn)不同是由于導航策略不同, 即信息表征的選擇性使用(Foo et al., 2005); 而后者認為兩種信息表征先結(jié)合形成多模型表征, 再由多模型表征引導運動。兩種狀態(tài)理論則認為, 當路標存在且可靠時導航者只加工路標信息, 而自身運動信息只在黑暗和視覺線索沖突的情況下得到加工。

然而, Poucet等人(2014)的兩種狀態(tài)理論存在明顯的不足。第一, Rochefort等人(2011)通過迫使小鼠在黑暗中使用自身運動信息發(fā)現(xiàn), L7PKCI轉(zhuǎn)基因小鼠(其小腦平行纖維-浦肯野氏細胞突觸長時程抑制受損)的自身運動信息加工受損, 而其感知運動能力、海馬功能及一般行為均與正常小鼠相同。如果正常小鼠在白天有路標的環(huán)境中導航,沒有自身運動信息的參與, 只有路標信息控制位置細胞, 那么其位置細胞的穩(wěn)定性應等于L7PKCI小鼠位置細胞的穩(wěn)定性。然而Rochefort等人(2011)發(fā)現(xiàn), 在白天有路標的Morris水迷宮進行導航時,L7PKCI小鼠位置細胞的穩(wěn)定性要顯著高于正常小鼠的位置細胞, 此研究結(jié)果與上述推論不一致。第二, Poucet等人(2014)的理論前提之一：網(wǎng)格細胞只在黑暗中具有導航功能并沒有直接的實驗依據(jù), 且與前人研究結(jié)果不符。Hafting 等人(2005)通過變換實驗箱的幾何外形和內(nèi)徑, 記錄大鼠在不同實驗箱覓食過程中內(nèi)嗅皮層的神經(jīng)元放電活動, 發(fā)現(xiàn)了具有強烈空間放電特性的網(wǎng)格細胞, 而且, 在去除所有外部線索即黑暗條件下,網(wǎng)格細胞的間距、平均放電頻率和空間信息加工都沒有顯著改變, 網(wǎng)格圖沒有發(fā)生改變。此研究結(jié)果說明, 網(wǎng)格細胞在白天有外部線索的環(huán)境中也會加工空間信息, 并非只在黑暗中起作用。

其次, 行為學上的證據(jù)表明人類會根據(jù)具體條件整合兩種信息。Nardini, Jones, Bedford和Braddick (2008)通過操作路標和自身運動信息的有無, 測試三組被試：成年人、4～5歲和7～8歲兒童在線索沖突條件下對路標和自身運動信息的相對依賴程度, 發(fā)現(xiàn)成年人會采用最優(yōu)化加權的方式整合兩種線索以減少變化范圍, 而兒童的行為模式是二選一。Chen和McNamara (2014)通過操作自身運動信息和路標信息的可靠性, 證明人類會按照貝葉斯整合理論整合自身運動線索和路標線索。Kalia, Schrater和Legge (2013)采用走廊實驗, 通過操作記憶的路標條件(沒有路標, 路標和路徑整合感知不一致, 路標和路徑整合感知一致)與目標距離, 發(fā)現(xiàn)人類在沒有視線的導航過程中,當路徑整合信息與記憶的路標信息不一致時, 只依靠路徑整合信息來估計他們的位置; 而當兩種信息一致時, 會結(jié)合兩種信息來估計他們的位置。

再次, May和Klatzky (2000)通過測試成人被試在現(xiàn)實和虛擬環(huán)境中的路徑完成任務, 發(fā)現(xiàn)認知分心和無關運動分心都無法消除被試通過路徑整合形成的位移表征, 由此路徑整合是自動持續(xù)進行。而Foo等人(2005)發(fā)現(xiàn)在路標存在且可靠的空間環(huán)境中導航者會依賴路標進行導航, 并且生理學研究表明視覺線索控制頭方向信號(Fortenberry,Gorchetchnikov, & Grossberg, 2012; Yoder, Clark, &Taube, 2011), 由此路標信息在導航中占主導作用。

因此, 在兩種信息都存在且可靠的條件下,路標信息在導航過程中占主導地位, 但是自身運動信息也得到加工, 即路徑整合也參與導航過程。

3 同時利用路標與自身運動信息是否優(yōu)于利用單一信息？

對L7PKCI小鼠的研究顯示, 在路標鮮明可見的Morris水迷宮中, L7PKCI小鼠與正常小鼠的潛伏期差異不顯著(Burguière et al., 2005; Rochefort et al., 2011)。Morris (1981)對正常小鼠的研究發(fā)現(xiàn),在導航階段：相比單獨線索組(平臺露出水面, 位置不固定), 兩種線索組(線索+位置, 平臺露出水面且位置固定于一個象限)的潛伏期更短; 單獨線索組比位置組(平臺隱匿在水面下, 位置固定)的潛伏期更短, 三組成績差異顯著。那么, 正常的導航過程中, 導航者同時利用路標與自身運動信息是否比利用單一的路標或自身運動信息的導航表現(xiàn)更好？

前文提及L7PKCI小鼠的路徑整合功能已受損傷, 但是其感知運動能力、海馬功能及一般行為均與正常小鼠無顯著差異(Rochefort et al., 2011;Burguière et al., 2005)。又根據(jù)Etienne等人(1996)的研究, 當路標與自身運動信息的一致性程度較高時, 導航者會依賴路標。因此在路標鮮明可見的空間環(huán)境中, 正常小鼠同L7PKCI小鼠一樣都依賴路標進行導航, 二者導航表現(xiàn)差異不顯著。而Morris (1981)的研究中所使用的視覺線索并不十分突出, 黑色平臺只高出水面1cm (位置組使用白色平臺)。在此情形下路標的有效性不高, 只是一旦習得了路標與目標之間的聯(lián)系, 導航者仍會利用這種聯(lián)系, 但會提高自身運動信息的權重進行導航, 所以此時同時利用兩種信息比利用單一路標信息的導航表現(xiàn)好。然而, 在正常的導航過程中, 導航者不會選擇如此不明顯的視覺線索作為路標。因此, 單獨利用路標信息和同時利用兩種信息的導航表現(xiàn)差異不顯著。

另外, 根據(jù)日常經(jīng)歷, 我們在白天的導航表現(xiàn)通常會優(yōu)于在黑夜中的導航表現(xiàn), 而黑暗中主要利用自身運動信息。其次, Kalia, Schrater和Legge (2013)的研究發(fā)現(xiàn), 與只利用路徑整合信息相比, 人類利用記憶中的路標, 無論與路徑整合信息一致還是不一致, 均可顯著提高定位的精確度。如前所述, 當兩種信息一致時, 人類會整合兩種信息, 故同時利用兩種信息的導航表現(xiàn)顯著優(yōu)于利用單一自身運動信息的導航表現(xiàn)。

因此, 導航者同時利用路標和自身運動信息與單獨利用路標的導航表現(xiàn)無顯著差異, 卻顯著優(yōu)于單獨利用自身運動信息的導航表現(xiàn)。

4 路標學習與路徑整合相互干擾還是相互促進？

為什么導航者同時利用兩種信息與單獨利用路標的導航表現(xiàn)無顯著差異, 這是否與各自的信息加工機制有關？路標加工與自身運動信息加工,即路標學習與路徑整合之間的作用如何：相互干擾還是相互促進？即, 加工一種信息會使另一種信息加工不完全, 或者促進另一種信息的加工。

根據(jù)相關研究和理論基礎, 路標學習和路徑整合可能會相互干擾。雖然在導航過程中, 人類和動物會同時加工兩種信息, 但是加工一種信息會對另一種信息的加工造成干擾, 從而使另一種信息加工不完全。就如, 正常人的聽覺可能比盲人的聽覺更遲鈍, 因為正常人能同時加工視覺和聽覺, 視覺加工可能會干擾聽覺加工, 而盲人聽覺的加工則不受視覺的作用, 但是由于正常人能整合視覺和聽覺信息, 因此正常人不受此干擾的影響, 并且其知覺可能優(yōu)于盲人。長期以往, 正常人的聽力發(fā)展可能會不及盲人, 從而導致他們的聽覺不如盲人靈敏。相比同時加工兩種信息的導航者, 僅加工路標的導航者的路標學習更穩(wěn)固有效, 同理, 僅加工自身運動信息的導航者的路徑整合更穩(wěn)固有效。然而, 路標與自身運動信息又是一種補償關系(Etienne & Jeffery, 2004), 二者同時存在時人類及動物能整合這兩種信息從而彌補單一信息加工不足的缺陷。

首先, 根據(jù)卡尼曼的資源限制理論(Kahneman,1973), 人類及動物的心理資源總量是有限的, 每進行一項心理活動勢必會使另一項心理活動的認知資源減少, 從而干擾另一項心理活動, 最常見的是認知分心任務。根據(jù)上文, 我們知道路標學習與路徑整合是位于兩個不同加工通道的認知過程, 由于人類及動物的認知資源有限, 不能同時完全加工兩種信息, 因此他們通常會根據(jù)環(huán)境中兩種信息的顯著程度、可靠程度及可利用程度選擇恰當?shù)谋壤侠矸峙滟Y源, 而比例的選擇通常是無意識的。當一種信息不可靠或不可利用時,另一種信息所占用的認知資源就會增加, 從而使另一種信息加工較為完全; 而兩種信息都可靠并都可利用時, 兩種信息便都會占用認知資源, 從而使每一種信息加工都不完全。

其次, 有研究表明路標學習和路徑整合可能會相互干擾。Wan, Wang和Crowell (2012)使用虛擬走廊迷宮, 并將被試隨機分為兩組：出發(fā)前告知目標(有目標知識)和到達終點后再告知目標(無目標知識)。實驗中, 在路段間隨機設有路標的外出路徑(5段路)中行走的被試被要求返回至起點或其中一個路標位置, 而在不設路標的外出路徑中行走的被試則被要求返回至起點。結(jié)果發(fā)現(xiàn),返回起點時, 無目標知識的被試, 路標存在比路標不存在反應時更長; 在返回路標位置時, 無目標知識的被試比有目標知識的被試有更長的反應時。此結(jié)果說明路標學習和返回起點過程可能相互干擾, 但此干擾受到目標知識的影響。

最后, 各種信息同時存在, 而各自加工不完全是一種生物適應策略。在自然環(huán)境中, 路標并不總是穩(wěn)定、可靠和有效, 而自身運動信息不精準且效率低, 因此動物無法只依賴其中的一種,除非另一種信息缺失或者不可靠。而每一種信息都加工完全需要耗費大量的心理資源, 且不利于靈活轉(zhuǎn)換對各種信息的使用, 尤其在信息沖突的情況下。更重要的是, 加工空間信息并不是導航的目的, 導航的主要目的在于覓食及逃避敵害,其次才是記住食物的位置和返巢的路線。如果各種空間信息都加工完全, 那么勢必會減少其他行為的認知資源, 從而損害其他行為表現(xiàn)。

5 小結(jié)與展望

通過對已有研究的分析比較, 我們可初步定論：導航者會同時進行路標學習與路徑整合; 同時利用兩種信息的導航表現(xiàn)與單獨利用路標信息的導航表現(xiàn)無差異, 卻比單獨利用自身運動信息的導航表現(xiàn)更優(yōu)異; 路標學習與路徑整合相互干擾。此外, 我們發(fā)現(xiàn)前人關于路標與自身運動信息對導航行為作用效果的比較研究不多, 這可能是方法學上的原因。對此, 我們可以參考借鑒經(jīng)典的Morris水迷宮實驗范式加以解決。在具體的實驗研究中, 研究者無法消除自身運動信息但可以使路徑整合無效, 從而迫使導航者僅利用路標進行導航。例如, 在實驗中, 使目標相對起點隨機變化,如此導航者便無法進行可靠有效的路徑整合。

對路標學習與路徑整合關系的考察, 可以通過引入更加適應的研究技術和指標, 獲得更清晰的研究結(jié)果。對人類的考察可應用虛擬現(xiàn)實技術,對動物的考察可采用迷宮范式。與行為學指標相比, 電生理學指標更靈敏, 故可結(jié)合行為學指標和電生理學指標(如位置細胞的放電頻率和穩(wěn)定性等)。再者, 對路標的選擇和設置、對兩種線索的分離, 以及對信息加工的考察將是研究中的難點, 需研究者根據(jù)具體實驗條件進行解決。

此外, 路標學習與路徑整合的關系是否受到其他因素的影響, 是研究者在今后的研究中需要考慮和注意的地方。如導航者的性別、年齡、生長環(huán)境的擁擠程度, 導航環(huán)境中的其他外部線索(如嗅覺線索)。導航者的自身因素主要影響其對空間信息的敏感程度和依賴程度, 如前人研究表明雌性和雄性動物對不同空間信息的依賴程度和敏感程度不同, 并且不同信息間的作用方式也不同(Bettis & Jacobs, 2013; Chai & Jacobs, 2010;Rodríguez, Chamizo, & Mackintosh, 2011; Rodríguez,Torres, Mackintosh, & Chamizo, 2010)。而其他的外部線索會影響空間編碼, 如Zhang和Manahan-Vaughan (2013)發(fā)現(xiàn)空間嗅覺學習有助于海馬位置野(place field)的形成。

另外, 對人類導航者而言, 語言也可能影響其對路標與自身運動信息的加工利用。Hermer-Vazquez, Spelke和Katsnelson (1999)以測試年幼兒童的任務來測試成人發(fā)現(xiàn), 語言對成人整合利用幾何信息和非幾何信息有影響。然而, Ratliff和Newcombe (2005)重復了Hermer-Vazquez等(1999)的語詞干擾實驗, 在重復實驗中, 他們明確告訴被試要做什么, 這與 Hermer-Vazquez和Spelke僅要求被試“注意所要發(fā)生的事”的指導語不同。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 在有明確做什么的指導語的情況下,成人的再定向能力與在沒有任何干擾情況下的再定向能力相同。這兩個研究表明指導語會影響人類導航者對空間線索的選擇利用。雖然自身運動信息加工是自動持續(xù)進行, 但是指導語可能會影響導航者對兩種信息的依賴程度。

盡管來自不同學科的研究者, 對人與動物的空間導航進行了長達數(shù)十年的不懈探索, 但目前對大腦這種基本認知功能的認識, 未知的和待解決的問題絲毫不少于已經(jīng)獲得的研究結(jié)論。比如,空間信息如何整合以形成認知地圖, 整合的方式是什么？整合的部位在哪？有哪些神經(jīng)結(jié)構的參與？除路標與自身運動信息以外, 還存在其他空間線索, 不同空間線索對導航行為的作用效果是否有差異, 哪種線索更有效？不同空間信息加工之間的作用是什么？雖然已有不少研究者對空間信息的整合機制進行過探索, 但尚無定論。不同空間線索對導航行為作用效果的比較研究較少,而相應的信息加工機制研究也不多。

國內(nèi)心理學對空間導航的基礎研究都以人類為研究對象, 而對動物研究較少, 未來可選擇常用的實驗動物(如小鼠)作為被試對上述問題進行探討。因為用動物實驗可以達到用人實驗不可能達到的效果, 如易于控制, 操縱精確, 能夠概括認知和行為的基本規(guī)律, 研究方法具有更廣的適用性。早期研究, 如托爾曼的認知地圖, 巴甫洛夫的經(jīng)典條件反射, 斯金納的操作性條件反射, 都是以動物為研究對象, 卻揭示了人和動物學習的本質(zhì)。Morris (1981)對大鼠空間導航研究所采用的水迷宮范式, 已成為空間認知領域最經(jīng)典的實驗范式, 在心理學和生物學研究中廣泛應用, 不僅適用于動物研究, 也可加以改進以適用于人類研究。

探索空間信息整合機制, 關注空間線索對導航行為的作用效果, 深入探究造成此效果的信息加工機制, 是未來空間導航研究領域著重要解決的問題。

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