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方法文章

一种研究鸽子（Columba Livia）变化盲视的方法

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DOI：

10.3791/56677

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2018年9月7日

1Department of Psychology, Whitman College

本文内容

摘要

变化盲视是一种视觉注意现象，指在特定条件下，视觉显示中的变化未被察觉。本实验方案描述了一种用于研究鸽子变化盲视的闪烁范式变体，适用于鸽子相关研究，且具有有效性。

摘要

视而不见（change blindness）是一种视觉注意现象，指在特定条件下，视觉显示中的变化未被察觉。尽管已有多种实验室程序被开发出来以在人类中诱发视而不见效应，闪烁范式（flicker paradigm）已被证明是一种尤为有效的方法。在闪烁范式中，两个视觉显示交替呈现。如果连续的显示之间被一个短暂的刺激间间隔（ISI）分隔，则变化检测能力会受到损害。该方法操作简便，且对视而不见的定义基于明确的行为表现，因此闪烁范式非常适合用于非人类动物的比较研究。事实上，已有研究开发出一种可在操作性条件箱中实施的变体，用于研究鸽子的视而不见现象。结果表明，与人类相似，当两个连续显示之间插入空白的ISI时，鸽子对变化位置的检测能力也会下降。此外，鸽子的变化检测行为符合一种主动的、逐位置搜索的过程，这一过程需要选择性注意的参与。因此，闪烁任务有望促进对鸽子与人类在选择性空间注意动态机制方面的比较研究。同时，这一现象也说明，视而不见并非人类视觉感知所独有，而可能是选择性注意所带来的普遍后果。最后，尽管注意机制的积极作用已被广泛认识和理解，但同样重要的是要认识到，这些积极作用可能伴随着特定的缺陷，例如视而不见，而这些缺陷在多种情境下均会产生实际影响。

引言

认知心理学反复揭示了我们自身认知过程中的显著缺陷，这些缺陷常常令人惊讶。其中一些较为著名的例子包括但不限于错误记忆1、次优决策启发法2以及有缺陷的统计推理3。近年来新增的一个现象是“变化盲视”。变化盲视是一种持续的注意力失效，指个体未能察觉到环境中即使非常明显的变化。在一个实验中4，实验人员安排一名同谋者接近路人并请求问路。在交谈过程中，有工人抬着一扇门从两人之间穿过，短暂遮挡了视线，借此机会将原来的同谋者替换为另一个人。在这次隐蔽的替换之后，大多数人都没有意识到与他们交谈的对象已经不是同一个人。这种现象令人惊讶，因为即时变化似乎应是可能重要事件的信号，理应引起我们的注意。

为了更好地理解变化盲视发生的原因和机制，研究人员已将其引入实验室，并开发出多种巧妙的方法5,6,7,8，以便在更受控的条件下对其进行研究。其中一种尤为成功的方法被称为"闪烁任务"9。在此实验中，研究人员通过从照片中删除某个特征，然后将原始图像与修改后的图像快速交替呈现给参与者。参与者能够迅速发现两者的差异。然而，如果在连续呈现的图像之间插入一个短暂的空白屏（从而形成该方法名称所指的“闪烁”显示），则检测变化会变得困难得多，导致准确性下降且反应时间延长。这种方法的优势在于，它能够对变化盲视进行精确测量，并且易于操控显示中的特定因素，例如变化的大小、显著性或呈现时机。

闪烁范式已被证明是研究人类感知与注意力的有力工具10这种效应出人意料地强烈且持久。在简单的动画中，即使是对唯一物体的变化，也可能导致变化盲视。11，当直接观察变化位置时12即使具备对变化盲视的经验并了解这一现象，也无法消除其影响13此外，变化盲视具有多种表现形式，可由多种不同事件引发，例如眼球扫视5，泥点飞溅14，电影剪辑7，或视觉遮挡4听觉中也会出现类似的现象15 和触觉的16 模态，表明该现象可能不仅限于视觉刺激，而可能是注意力的一种更普遍的现象。

人类当然并非唯一利用注意力的动物。例如，鸽子就展现出许多与人类相似的注意力能力。它们可以选择特定特征进行优先加工（例如利用搜索图像寻找特定食物目标）17,18。它们能够将注意力指向特定区域或空间位置19。它们可以在不同组织层级之间转移注意力20,21。它们还能够在刺激显示的不同方面之间分配注意力22,23。因此，似乎鸽子具备许多使注意力对人类有益的相同能力。如果变化盲视与注意力本身固有的某些局限性有关，那么我们可能预期在鸽子（或许还有其他动物）中也能观察到类似的变化盲视效应。此外，近年来已有多项利用鸽子成功开展的变化检测研究，采用了多种不同的方法24,25,26,27,28。

近期研究29,30,31,32已将闪烁范式应用于研究鸽子的改变失明现象，并获得了与人类改变失明相似的结果。本报告描述了一种在操作箱中实施该程序的简单方法。与人类任务版本类似，该方法易于分离和操控刺激呈现的特定方面，以探究其对改变检测和改变失明的影响。因此，该程序应成为研究鸟类注意力局限性及其与人类注意力局限性相似程度的有力工具。

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方案

此处所述的操作程序符合实验室动物福利办公室以及美国公共卫生服务政策关于实验动物人道护理与使用的相关规定，并已获得惠特曼学院机构动物护理与使用委员会的批准。

1. 减轻鸽子的体重

注意：为确保鸽子健康并有足够动力通过完成任务获取食物，需将其体重减少至自由进食时体重的80 - 85%33。

  1. 将未经训练的 鸟类单独饲养在笼中，自由获取饮水、砂砾和食物。
  2. 每天大致相同时间称量每只鸽子的体重，持续 2 至 4 周，直至每只鸽子的自由进食体重趋于稳定。
  3. 计算每只鸽子的目标体重，该体重为其稳定自由进食体重的 85%。
  4. 限制食物供给，逐步降低每只鸽子的体重，直至达到目标体重34。鸽子仍应可自由获取饮水和砂砾。
    注意：采用本方案的已发表实验29,30,31,32中，每个实验条件通常使用 4 至 6 只鸽子即获得了显著结果。对于直接重复实验或细微改动的实验，类似数量应已足够。若实验改动导致变化盲视效应减弱，则可能需要更大的样本量。

2. 训练鸽子啄击操作箱反应键上显示的刺激，并从食槽中取食谷物

注意：训练和实验过程需要精确的计算机控制，时间分辨率达到小于 1 毫秒。请使用灵活的编程语言（见材料表）通过 I/O 继电器控制操作式实验箱。

  1. 每天实验开始时，称量鸽子体重，并将其放入操作箱中（参见材料表）。 未经训练的鸽子可能需要时间适应抓握、称重以及往返操作箱的运输过程。 在此期间，应格外小心轻柔地处理鸽子，并密切观察其是否出现应激反应。
  2. 每日实验会话运行100次试验。每次试验步骤如下：
    1. 随机选择一个视觉刺激元素（例如颜色或线条）以及操作箱中的三个按键之一（参见材料表）。使用兼容的刺激投影仪（参见材料表），在相应按键上呈现所选的刺激元素。
      注：许多操作箱中标准配置的白炽灯泡开启和关闭时间过慢，不适用于本方法。应将操作箱中的白炽灯泡更换为响应更快的LED等效灯泡，然后确认显示效果符合预期，且刺激呈现迅速清晰（从开启到达到最大亮度的时间小于1毫秒）。
    2. 等待鸽子啄击显示刺激的按键。对啄击其他任何按键的行为不予响应。
      注：有经验的鸽子可能立即知道应啄击被点亮的反应键。对于未经训练或经验较少的鸽子，可采用手动塑形或自动塑形35程序来引导其啄击行为，方法与其他实验室任务中的训练方式相同。
    3. 当鸽子对正确的反应键完成一次啄击后，清除刺激显示，并开启食槽供粮2–3秒。
  3. 每次实验会话结束后，将鸽子从操作箱中取出，在放回其饲养笼之前再次称重。根据个体体重变化调整两次会话之间的食物获取时间，以维持每只鸽子的动态体重为其自由进食体重的80–85%。
  4. 持续进行预训练，直至鸽子能够在三个反应键上对实验中拟使用的全部单独刺激元素均作出快速且一致的反应。

3. 训练鸽子搜索并啄击反应键上呈现的变化

  1. 每天实验开始时，称量鸽子的体重，并将其放入操作箱中。
  2. 在每日实验的100次试验中，每次试验开始时确定即将呈现的刺激显示的详细信息。每次试验的细节可由实验控制软件随机选择。随附的补充文件中包含一个用于运行每日实验的示例程序（change.cpp）；其中的元素也可用于执行步骤2中的较简单操作。
    1. 随机选择一个刺激间间隔（ISI），为250 ms或0 ms（每种情况的概率 p = 0.5）。
    2. 随机确定要呈现的变化重复次数，为1、2、4、8或16次（每种情况的概率 p = 0.2）。
    3. 定义一个原始刺激显示，即在每个反应键上呈现一个或多个元素（预训练期间呈现的颜色或线条）。
    4. 通过在一个反应键上添加、删除或更改一个元素，将原始刺激显示修改为新的刺激显示。原始和修改后刺激显示的示例见图1。
    5. 确保鸽子在训练期间不会看到所有可能的刺激显示。如有必要，指定一部分显示用于迁移测试（步骤4），并在训练期间避免呈现这些显示。
  3. 呈现5秒的试次间间隔（ITI），此时笼内照明灯亮起，所有反应键熄灭，以分隔相邻两次试验。
  4. 根据步骤3.2中为当前试验确定的参数呈现刺激显示。
    1. 将构成原始显示的刺激元素点亮250 ms。
    2. 清除刺激显示，并等待一个0 ms或250 ms的ISI。
    3. 将构成修改后显示的刺激元素点亮250 ms。
    4. 清除刺激显示，并等待一个0 ms或250 ms的ISI。
    5. 重复步骤3.4.1至3.4.4，直至完成当前试验预先确定的重复次数。完整呈现所有重复，且在刺激呈现期间忽略任何按键行为。
  5. 将三个反应键均用白光点亮，并等待鸽子啄击其中一个反应键。将刺激呈现结束后在任一反应键上的首次啄击视为该次试验的反应。有关包含或不包含ISI的试验示意图，见图2。
  6. 清除所有反应键，并根据结果以强化或错误信号结束该次试验：
    1. 如果鸟类的反应发生在显示变化的反应键上，则让其从食盒中获取食物颗粒2–3秒。
    2. 如果鸟类的反应未发生在发生变化的反应键上，则在10秒内以每0.5秒切换一次笼内照明灯的亮灭状态，以表示反应错误。
  7. 每次实验结束后，将鸽子从操作箱中取出，在放回其饲养笼前称量其体重。调整两次实验之间的食物获取时间，使每只鸽子的持续体重维持在其自由进食体重的80%–85%。
  8. 持续进行每日训练，直到鸽子的反应准确率达到稳定水平，并持续显著高于33%的随机概率水平。提供了一个示例文件（change.xlsx），用于分析原始数据，展示ISI存在与否及重复次数对结果的影响。

4. 在每日实验环节中呈现新的转移测试

  1. 严格按照步骤3所述的程序进行操作，但不排除任何潜在的刺激显示（参见步骤3.2.5）。
    注意：当潜在刺激显示数量较多时，在训练期间无需排除潜在显示并在后续阶段引入。在此类情况下，只需照常继续训练，因为从未见过的显示会自然出现。
  2. 分析鸽子对新颖且从未见过的刺激显示的反应准确性，排除鸽子此前已接触过的任何显示。若准确性高于随机水平，则表明鸽子已学会了一般的变化检测规则，而非依赖于对熟悉刺激显示的记忆。

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结果

本研究关注的主要结果是包含ISI与不包含ISI试验之间准确率的差异。具体而言，闪烁范式中变化盲视的操作性定义表现为：与不包含ISI的试验相比，包含ISI的试验中变化检测准确率显著降低。这一效应可见于图3，该图展示了先前发表的数据29。在该实验中，鸽子对由颜色元素组成的刺激物（如图1左侧所示类型）的变化进行检测。如图所示，鸽子共观察10种不同的刺激物，其差异基于变化重复次数（横轴：2、4、8、16或32次）以及是否存在250 ms的ISI（不同线条）。包含ISI试验的平均准确率（M = 76.4%）低于不包含ISI试验（M = 79.6%），F(1, 3) = 11.338，p = .043，偏η2 = .791。该图还显示，这种提示变化盲视的准确率差异在每种测试的重复次数下均存在。

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讨论

本文所述方法受到认知心理学家常用于研究人类变化盲视现象的所谓"闪烁范式"的启发9。在人类研究中，变化盲视在操作上被定义为：在刺激画面转换之间插入一个ISI（刺激间间隔）所导致的变化检测能力下降。本文描述的鸽子实验实施方式同样符合这一定义。此外，人类在执行闪烁任务时通常采用串行搜索策略，即逐个检查可能发生变化的位置，在每个位置上要么成功识别出变化，要么排除该位置并转向下一个位置。本文所提出的方法所得结果与这一解释一致。鸽子的变化检测准确率随着重复次数的增加而提高32，这正符合串行搜索从一个可能的变化位置逐步推进到下一个位置的预期表现。然而需要注意的是，尽管主要结果与串行搜索过程相符，但这并非唯一的逻辑可能性。其他解释（例如有限容量的并行搜索）也应予以考虑，甚至可能激发对该实验程序的改进。例如，如果鸽子确实采用逐个位置的搜索策略，那么它们应当能够利用不同位置出现变化的基线频率差异，优先在高概率位置启动搜索（从而提高这些高概率位置的检测准确率，但降低其他位置的准确率）。而并行搜索过程则不会做出此类预测。

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢惠特曼学院比较心理学实验室成员在数据收集方面提供的帮助，包括 Mark Arand、Michael Barker、Eva Davis、Kuba Jeffers、Brett Lambert、Tara Mah、Theo Pratt、Tvan Trinh、Lyla Wadia 和 Patricia Xi。

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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
小型环境立方体BRS/LVESEC-002
鸽子智能测试面板BRS/LVEPIP-016
谷物喂食器BRS/LVEGFM-001
鸽子啄键BRS/LVEPPK-001
刺激投影仪BRS/LVEIC-901
LED灯Martek Industries, Cherry Hill NJ1820
I/O模块Acces IOUSB-IDIO-8
个人计算机DellOptiplex 3040
Visual C++Microsoft
白卡罗鸽Double-T Farm

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