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方法文章

节拍器同步任务中速度均匀变化的弹跳球

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⸱

DOI：

10.3791/56205

⸱

2017年9月21日

 ,  ,  , 
1Department of Psychology, Sun Yat-Sen University

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本实验方案旨在介绍在节拍器同步任务中应用匀变速运动的弹跳球。

摘要

感觉运动同步（SMS）是一种人类协调动作与外部节奏的基本能力，长期以来被认为具有模态特异性。在经典的节拍器同步任务中，要求受试者随着等时序刺激序列进行手指敲击，一个已被广泛证实的现象是：与视觉闪烁序列相比，听觉音调序列的同步稳定性要高得多。然而，近期研究表明，与视觉闪烁相比，周期性运动的视觉刺激可显著改善同步效果。特别是，对于具有匀变速运动的视觉弹跳球，其同步稳定性并不低于听觉音调。本文所述实验方案详细描述了在节拍器同步任务中应用匀变速视觉弹跳球的方法，包括在不同刺激 onset 间隔（IOI）序列中的使用方式。代表性结果展示了弹跳球在同步表现上与听觉音调和视觉闪烁的对比情况。鉴于其同步表现与听觉音调相当，弹跳球在探讨当前研究问题——即感觉运动同步是否依赖于模态特异性机制——方面具有重要意义。

引言

感觉运动同步（SMS）是指运动（例如，手指敲击）与外部节奏同步，通常通过一个简单的节拍器同步任务进行研究，该任务要求受试者随着等时序列进行手指敲击1,2听觉模态在节拍器同步任务中的优势已确立逾一个世纪：与由视觉信号组成的序列相比，个体对由听觉音调构成的听觉序列进行同步要稳定得多。图1A）相比，对由视觉闪烁组成的视觉序列的反应更弱图1B)1然而，这种节拍器同步的听觉优势最近受到采用周期性运动视觉刺激的研究的质疑3,4,5,6 （注意，周期性移动的视觉刺激指的是连续运动）。Hove 等 使用了一个由以恒定速度上下移动的条形图组成的视觉序列，发现上下移动条形图的同步性比视觉闪烁的同步性更稳定，但仍不如听觉音调的同步性稳定3,6. Iversen 等 采用了一个弹跳球，其速度根据整流正弦波变化，并表明弹跳球的同步性接近听觉音调的同步性5。最近，Gan 等 使用了一个速度均匀变化的弹跳球（即，模拟重力效应）（图1C），发现弹跳球的同步性并不比听觉音调的同步性更不稳定4.

本实验方案旨在介绍一种在节拍器同步任务中使用匀变速弹跳球的方法，如Gan et al.4所述。节拍器同步任务包含一个由听觉音调组成的听觉序列（AT序列，图1A）和一个由视觉闪光组成的视觉序列（VF序列，图1B），这两类序列在感觉运动同步（SMS）研究中被广泛采用1。该任务中的第三类序列为由弹跳球构成的视觉序列（VB序列，图1C）。尽管长期以来人们认为SMS依赖于模态特异性机制，例如听觉皮层与运动皮层之间的连接比视觉皮层与运动皮层之间的连接更为紧密2，但SMS是否具有模态特异性近年来引起了大量研究关注1,7。本方案中引入的弹跳球在解决模态问题方面尤为有用，因其同步表现与听觉音调相当。此外，节拍器同步可在有限的IOI范围内灵活进行（100–1,800 ms）8。为展示弹跳球在不同IOI条件下的应用，本方案包含了600 ms的IOI（约为最受偏好的IOI）和900 ms的IOI。

振荡示意图，显示随时间变化的运动与听觉和视觉线索的同步。
图1： 刺激示意图。受试者跟随一个等时序列进行敲击，该序列由听觉音调（A：AT序列）、视觉闪烁球（B：VF序列）或视觉弹跳球（C：VB序列）组成。在C中，弹跳球的速度和轨迹分别表示为时间的函数，并用蓝色和绿色线条标示。弹跳球的移动距离为9.2 mm，在弹跳点（即球的最低位置）的峰值速度为0.061 mm/ms。图中显示了一个600-ms IOI序列中的八个事件。请点击此处查看该图的放大版本。

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方案

本方案已获中山大学心理系机构审查委员会批准。

注意：提供了一个自定义程序"BouncingBall"9用于完成本实验方案。解压文件"BouncingBall.zip"后将生成一个名为"BouncingBall"的目录，其中包含听觉和视觉刺激文件（见下文第1节）、用于编程呈现刺激和记录反应的脚本"BouncingBall_run.m"（见下文第2节）以及用于呈现刺激和记录反应的脚本（见下文第3节），以及用于编程数据分析的脚本"BouncingBall_analyze.m"（见下文第4节）和执行数据分析的脚本（见下文第5节）。

1. 听觉与视觉刺激的准备

注意："BouncingBall" 目录包含生成的刺激材料。读者可根据需要使用或修改这些刺激材料。

  1. 使用可生成听觉音调的软件，创建一个频率为 600 Hz、持续时间为 50 ms 的纯音。
  2. 使用可生成视觉图像的软件，创建一个具有透明背景的橙色球体图像。
  3. 使用带摄像头的智能手机拍摄一个橙色篮球的照片，并使用可生成视觉图像的软件，创建一张具有黑色背景的篮球图像。

2. 刺激呈现与反应记录的编程

注意：刺激呈现和反应记录的编程已在脚本中实现 "BouncingBall_run.m" 在目录中 "弹跳球"，可使用文本编辑软件打开和编辑。读者可根据脚本中的注释按需设置或修改参数。

  1. 将背景颜色设置为黑色。
  2. 每个序列设置为包含55个事件（54个刺激间间隔）。用于练习时（见下文），将事件数量设置为20。
  3. 将每个序列设置为重复6次。练习时，可将重复次数设为2。
  4. 将IOI设置为600毫秒或900毫秒。
  5. 构建AT序列。
    1. 每次刺激间隔（IOI）呈现一次纯音。
    2. 永久显示一个直径为1.74 cm的橙色球体（对应的视觉角度为1.66°）和一个大小为3.54 cm × 4.06 cm的白色条形。将球体置于计算机屏幕中央，并将条形显示在球体底边下方0.92 cm处。
      注意：使用橙色球体和横条是为了在AT序列与视觉序列之间保持视觉设置尽可能一致，使受试者注视球体，同时将注意力集中在听觉任务上。
  6. 构建VF序列。
    1. 让橙色球在每个IOI时刻闪烁， 即持续50毫秒，然后在剩余的IOI时间内消失。
  7. 构建VB序列。
    1. 将橙色球替换为逼真的橙色篮球。
    2. 让球持续向下移动0.92 cm（移动距离）并接触白色条，然后返回初始位置。
      注意：小球的速度在恒定加速度作用下均匀变化，加速度为 0.20 m/s2 600毫秒的IOI或0.09米/秒2 对于900毫秒的刺激间隔（IOI），球在接触横杆时达到最大速度。针对不同的刺激间隔（IOI）使用不同的加速度。
  8. 记录并保存受试者按下计算机键盘上应答键的时间。

3. 实验步骤

注意：在软件的命令窗口中输入"BouncingBall_run(SequenceType, IOI, ScreenX, ScreenY, isFormal)"即可呈现刺激并记录反应。"ScreenX"和"ScreenY"分别表示计算机屏幕的宽度和高度（单位：cm）。程序会自动将敲击数据记录在文件"SequenceType_IOI_ScreenX_ScreenY.mat"中。IsFormal用于指示当前实验是正式实验还是练习实验。

  1. 让受试者坐在计算机屏幕前，观看距离为60厘米，并佩戴耳机。
  2. 让受试者签署书面知情同意书。
  3. 向受试者提供书面实验说明。
    1. 在说明中向受试者解释节拍器同步任务：使用其惯用手的食指按压键盘上的按键，与AT序列中的音调、VF序列中的闪烁球，以及VB序列中弹跳球运动到最低位置（i.e.，接触横杆）的时刻保持同步。
  4. 打开软件。
    注意：该软件持续运行，其命令窗口保持打开状态。在命令窗口中输入Bouncingball_run命令将运行刺激呈现程序，并在刺激呈现结束后返回命令窗口。
  5. 让受试者使用600 ms IOI的AT、VF和VB序列各练习两次，以熟悉刺激和任务。
    注意：练习过程与以下正式实验相同，但有以下区别：（1）三种序列类型的顺序在不同受试者间不进行改变；（2）每种序列重复2次；（3）每种序列包含20个事件。
    1. 在命令窗口中输入"Bouncingball_run('AT', 600, 53.1, 29.8, 0)"，然后按“Enter”键，以进行AT序列的练习。
      注意：Gan et al.4 中的屏幕尺寸为53.1 cm × 29.8 cm，但读者应根据所使用的屏幕尺寸进行相应设置。当实验程序运行时，受试者将执行实验说明中描述的任务。此外，序列呈现为自控节奏，i.e.，受试者按空格键以启动一个序列。
    2. 在命令窗口中输入"Bouncingball_run('VF', 600, 53.1, 29.8, 0)"，然后按“Enter”键，以进行VF序列的练习。
    3. 在命令窗口中输入"Bouncingball_run('VB', 600, 53.1, 29.8, 0)"，然后按“Enter”键，以进行VB序列的练习。
  6. 让受试者进行正式实验。在不同受试者之间对IOI类型和序列类型的顺序进行平衡设计。
    注意：以下是针对一名受试者的实验流程。
    1. 在命令窗口中输入"Bouncingball_run('AT', 600, 53.1, 29.8, 1)"，然后按“Enter”键，以进行600-ms IOI的AT序列实验。
      1. 注意，受试者将使用食指按压键盘按键，与AT序列中的音调保持同步。
    2. 在命令窗口中输入"Bouncingball_run('VF', 600, 53.1, 29.8, 1)"，然后按“Enter”键，以进行600-ms IOI的VF序列实验。
      1. 注意，受试者将使用食指按压键盘按键，与闪烁球的闪烁时刻保持同步。
    3. 在命令窗口中输入"Bouncingball_run('VB', 600, 53.1, 29.8, 1)"，然后按“Enter”键，以进行600-ms IOI的VB序列实验。
      1. 注意，受试者将使用食指按压键盘按键，与弹跳球运动到最低位置（i.e.，接触横杆）的时刻保持同步。
    4. 在命令窗口中输入"Bouncingball_run('AT', 900, 53.1, 29.8, 1)"，然后按“Enter”键，以进行900-ms IOI的AT序列实验。
      1. 注意，受试者将使用食指按压键盘按键，与AT序列中的音调保持同步。
    5. 在命令窗口中输入"Bouncingball_run('VF', 900, 53.1, 29.8, 1)"，然后按“Enter”键，以进行900-ms IOI的VF序列实验。
      1. 注意，受试者将使用食指按压键盘按键，与闪烁球的闪烁时刻保持同步。
    6. 在命令窗口中输入"Bouncingball_run('VB', 900, 53.1, 29.8, 1)"，然后按“Enter”键，以进行900-ms IOI的VB序列实验。
      1. 注意，受试者将使用食指按压键盘按键，与弹跳球运动到最低位置（i.e.，接触横杆）的时刻保持同步。

4. 数据分析的编程

注意：数据分析的编程已在脚本中实现 "BouncingBall_analyze.m" 在目录中 "弹跳球"，可使用文本编辑软件打开和编辑。读者可根据脚本中的注释按需设置或修改参数。原始同步数据为一系列敲击时间点。采用圆形法分析具有可变周期的同步数据，该方法已在下文详述4,5,10. 本文方案描述了一种利用圆形统计工具箱分析同步稳定性（R）的方法例如，CircStat 工具箱11 ），如Gan所述 等4

  1. 在敲击序列中，省略前五个事件的敲击，因为同步通常需要几次敲击才能稳定。
  2. 计算不同步性。
    1. 对于每个敲击序列，将不同步性计算为敲击时间与相应事件起始时间之间的差值，从而得到一组不同步性序列。
      注意：最好排除每个序列中的无效敲击。无效敲击包括漏敲（i.e.，在事件前后 -1/2 至 +1/2 IOI 时间区间内无敲击）和多重敲击（i.e.，在事件前后 -1/2 至 +1/2 IOI 时间区间内出现多次敲击）。
    2. 通过公式 asynchrony×(360/IOI) 将不同步性的时间（ms）转换为角度（度）。然后使用函数 circ_ang2rad11 将角度转换为弧度，得到单位圆上的相对相位（RP）。
  3. 计算同步稳定性（R）。
    1. 对于每个不同步性序列，使用函数 circ_var11 计算相对相位（RP）的方差（S）。
    2. 使用公式 R = 1 - S 计算 R。
      注意：R 是相对相位（RP）向量的合向量长度（i.e.，向量的平均值），取值范围为 0（相对相位均匀分布，敲击不稳定）到 1（相对相位呈单峰分布，敲击完全稳定）。
    3. 对于每种序列类型，计算该受试者6次试验中相对相位（RP）的平均值，作为该受试者该序列类型的 R 值。

5. 进行数据分析

注意：以下是根据上述方法采集的一名受试者的数据分析。在软件的命令窗口中输入"Bouncingball_analyze(RecordedFile)"即可执行数据分析，返回稳定性的均值和标准差（SD）。

  1. 对于 600-ms IOI AT 序列，在命令窗口中输入 "Bouncingball_analyze('AT_600_53.1, 29.8.mat')"，然后按“Enter”键。
  2. 对于 600-ms IOI VF 序列，在命令窗口中输入 "Bouncingball_analyze('VF_600_53.1, 29.8.mat')"，然后按“Enter”键。
  3. 对于 600-ms IOI VB 序列，在命令窗口中输入 "Bouncingball_analyze('VB_600_53.1, 29.8.mat')"，然后按“Enter”键。
  4. 对于 900-ms IOI AT 序列，在命令窗口中输入 "Bouncingball_analyze('AT_900_53.1, 29.8.mat')"，然后按“Enter”键。
  5. 对于 900-ms IOI VF 序列，在命令窗口中输入 "Bouncingball_analyze('VF_900_53.1, 29.8.mat')"，然后按“Enter”键。
  6. 对于 900-ms IOI VB 序列，在命令窗口中输入 "Bouncingball_analyze('VB_900_53.1, 29.8.mat')"，然后按“Enter”键。

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结果

在同步运动节拍（SMS）研究中，最广为人知的结果之一是：与由视觉闪烁构成的视觉序列相比，受试者在听觉音调序列下的节拍同步要稳定得多1，这提示了SMS存在模态特异性的机制2。然而，近期研究表明，与视觉闪烁相比，周期性运动的视觉刺激可显著提高同步稳定性3,4,5,6，且对一个速度均匀变化的视觉弹跳球进行同步的稳定性并不低于对听觉音调的同步4。此处展示的代表性结果来自我们课题组已发表的研究工作4。该实验共包含15名受试者。采用双因素重复测量方差分析（ANOVA，Greenhouse-Geisser校正），因素为序列类型（三种序列类型）和...

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讨论

本方案阐述了如何在节拍器同步任务中研究以均匀变化速度弹跳的球体。由于其同步表现与听觉音调相当，该弹跳球对于探讨当前研究课题——即感觉运动同步（SMS）是否具有模态特异性——具有重要意义。

当前方案的关键步骤是引入弹跳球的均匀变化速度，并提供了逐步说明，以完成同步任务并分析同步数据。本方案还说明了如何通过采用不同的加速度，使弹跳球适用于不同的IOI（刺激间隔）。需要指出的是，弹跳球的使用应限于不短于300 ms的IOI。Gan et al.4 的研究表明，当IOI为300 ms时，弹跳球运动过快，对受试者而言显得不自然，因而难以与之同步敲击。

弹跳球是研究同步运动节律（SMS）和时间处理的有用工具。尽管本实验方案中以简单的节拍器同步任务来演示弹跳球的应用，且代表性结果来自对正常受试者的行为学研究，但未来的研究可将弹跳球应用于以下方面：（1）对更复杂节奏序列的同步，其中需要从复杂序列中提取节拍器（或在音乐语境中的节拍）12

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（31371129）的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Psychtoolboxhttp://psychtoolbox.org3.0.12
MATLABMathWorks7.11.0 (R2010b)
Adobe PhotoshopAdobe SystemsAdobe Photoshop CS6
计算机显示器AOCG2460PQU/BR LCD
耳机PHILIPSSHM6500
计算机键盘Dellkb113t
智能手机Appleiphone6s
IBM SPSS StatisticsIBMIBM SPSS Statistics 21

参考文献

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