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方法文章

使用快速序列视觉呈现法测量多任务处理中分心导致的特定集合捕获

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DOI：

10.3791/58053

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2018年8月29日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Psychology, Arcadia University, 2Department of Psychological Sciences, Purdue University

本文内容

摘要

该方法采用动态视觉显示来评估视觉搜索过程中分心所导致的认知代价，包括“"偶然性注意捕获"”和“"目标集特异性捕获"”，后者是指当参与者同时维持多个搜索目标时所产生的分心代价。该方法揭示了视觉注意的基本机制及其局限性。

摘要

该方法采用快速序列视觉呈现（RSVP）范式，用于测量参与者在维持多个搜索目标时分心所造成的认知代价。本实验方案可在同一任务中识别出两种类型的分心效应——依赖性注意捕获和目标集特异性捕获，二者代表了认知加工能力的不同限制类型。参与者需在两个或更多字母中进行搜索 "目标" 墨水颜色（例如， 在连续快速序列视觉呈现（RSVP）的异色字母流中，参与者需检测目标颜色（绿色和橙色）的字母，同时忽略两个外周位置的字母RSVP序列。当检测到目标时，参与者需识别该字母。在部分试次中，与目标颜色相同的干扰项会在目标呈现前短暂出现在外周位置，导致目标识别表现下降。通过分析外周干扰项颜色与当前试次目标颜色一致的试次表现，可观察到基于特征的注意捕获效应。例如， 均为橙色）。特定集合捕获由外周干扰物与目标颜色相同时的试验表现来表示（例如， 橙色），但与该次试验中的目标颜色不同（例如， 绿色。）通过改变时间长短（即， 在干扰物和目标呈现之间出现的刺激数量）时，研究人员可以观察参与者随时间推移从这些干扰代价中恢复的情况。与通常用于测量条件性注意捕获的静态显示相比，动态显示产生的效应更大，使研究人员能够识别较小操控的细微效应。我们设计的一个不同寻常之处在于采用了连续显示； "填充物" 刺激使各次试验无缝衔接，参与者在该间隔期间一旦检测到目标即作出反应。这种连续显示方式将偶然正确率降至接近零（而非50%），从而为研究人员提供了更灵敏的指标，用于检测不同类型试验之间的表现差异。

引言

选择性注意捕获是指当参与者错误地将注意力指向与其搜索目标相似的干扰物时，所导致的行为表现下降（反应时间变慢、准确率降低）。作为自上而下注意定向的指标，选择性注意捕获仅在存在与目标相关的干扰物时发生。例如， 搜索绿色字母时出现绿色数字），但在出现与目标无关的刺激时则不会例如， 一个蓝色数字）。关于条件性注意捕获的研究对于理解自上而下的注意定向以及信息加工的局限性至关重要，即一旦某个刺激捕获了注意，该刺激便会以序列化且需付出努力的方式进行加工。1,2,3. 条件性注意捕获通常通过使用静态显示来测量，这些静态显示模拟常见的视觉搜索任务，例如在杂货店的农产品区寻找一个红辣椒3,4在此示例中，一个与目标物具有相似特征的干扰项（例如一个红色苹果）可能会捕获注意力，从而减慢搜索速度。颜色特征可引发依赖性注意捕获3,5,6,7，形状8，运动9时间10，以及语义相关性11,12除了静态显示外，还使用动态显示来测量基于情境的注意捕获，这些动态显示模拟了诸如沿道路驾驶时寻找路标或在快速移动的人群中寻找某人等情境。13,14.

最近，研究人员探讨了在多个搜索目标同时激活时（例如同时寻找一个红辣椒和 同时加入大蒜7,8,15,16,17,18,19,20,21,22,23在这些情况下，分心带来的代价可能尤为严重。尽管现有证据对于多目标搜索在无干扰条件下是否会损害表现尚存分歧，但与目标相关的干扰物所引发的注意捕获却可能导致表现出现极为显著的下降。特别是，我们发现了一种新的注意捕获形式，称为 "特异性捕获" 当多个目标同时被维持时会发生这种情况。在特定集合捕获的情况下，当一个干扰项与一个目标目标相似时，行为表现的成本尤其显著例如， 一个苹果）会从与另一目标匹配的项目中吸引注意力例如， 大蒜）7,20,21,22参见 图1 以这个杂货示例来解释一个典型发现。

与偶然性注意捕获类似，目标集特异性捕获揭示了信息是以序列化且需付出努力的方式进行加工：当一个干扰项捕获了注意力时，注意力资源便从目标上被转移开。此外，目标集特异性捕获表明，将注意力指向干扰项的特征会导致工作记忆中相关目标的增强。因此，当同时维持多个目标时，这种对某一目标的增强会以牺牲其他当前目标为代价7,21,22。目标集特异性捕获是多任务操作的一种后果，类似于任务切换研究中发现的任务转换代价和任务混合代价，但又与这些测量指标有所不同24。未来的研究有必要深入探讨这种多任务代价，不仅是为了从实际应用角度理解其损害的程度和性质（例如，涉及双任务操作的安全相关情境），也是为了进一步完善我们对视觉搜索机制以及目标如何维持的理解。例如，目标集特异性捕获支持了这样一种观点：在注意目标或类似目标的干扰项时，可以专注于单一目标，而在视觉搜索过程中，其他多个目标则以辅助状态被维持25,26,27。

本方法提供了一种在同一实验范式内同时测量偶发性注意捕获和特异性注意设置捕获的可靠途径。该方法采用一种动态显示范式，其灵感来源于先前关于注意眨眼及基于快速序列视觉呈现（RSVP）刺激的偶发性注意捕获的研究13,14,28,29,30。与通常依赖反应时间作为因变量而非准确率的静态显示任务相比，此类动态显示能产生更显著的效应3,31,32。这些更显著的效应使研究人员能够利用该范式检测对特异性注意设置捕获更为敏感的操控条件，例如练习的影响20。

在此任务中，参与者需在位于中央、颜色异质的快速序列视觉呈现刺激（RSVP）中搜索以两种颜色之一出现的字母 "目标" 墨水颜色（例如， 绿色和橙色；参见 图2 例如刺激颜色）。每当参与者检测到中央显示区域出现目标颜色的字母时，他们需判断该字母是否来自字母表的前半部分（"按下“J”键"）或字母表的后半部分（"按“K”键"与此同时，参与者忽略位于中央显示区域两侧的两个快速序列视觉呈现（RSVP）显示，这两个显示主要由灰色字母组成。因此，在任意时刻，屏幕上同时呈现三个字母——一个位于中央，两个位于外周。这些字母的身份和颜色每116毫秒更换一次。

一个实验可能包含以下类型的试验： 仅靶标, 干扰物单独存在, 非目标彩色干扰物（NTC）, 相同目标彩色干扰物（STC）, 以及不同目标颜色的干扰物（DTC）. 在 仅目标蛋白 试验类型，目标字母（例如， 中央快速序列视觉呈现（RSVP）中出现一个绿色C，而在其之前的外周RSVP中未发生任何颜色变化。在 干扰物单独呈现 试验类型中，一个与目标颜色相同的项目会出现在外围 RSVP 显示区域中的某一位置，但其后不出现目标项目。此类试验的目的在于，通过引入一些干扰项不预示目标出现的试次，防止参与者利用外围颜色变化来预测即将出现的目标。在 NTC、STC 和 DTC 试验类型中，一个彩色字母干扰项会在目标于中央出现之前，出现在其中一个外围显示区域中，其间具有一个 "滞后期" 在干扰物与目标出现之间显示1至4帧（116至464毫秒）。对于NTC试验，干扰物不具有目标颜色例如， 一个紫色的“V”）。在STC试验中，干扰项（例如，一个橙色的“B”）与下一个目标的颜色相同例如， 一个橙色的“T”。在DTC试验中，干扰项（例如， 橙色“C”与目标颜色一致，但与即将出现的目标颜色不同例如， 一个绿色的“V”。参见 图3 有关任务示意图及各类试验示例，请参见 视频 1 （视频）为该任务的示例。循环播放时，示例中包含两个目标。 视频 2 （视频）是为清晰起见而降低速度的同一视频。

基于目标颜色的注意捕获效应通过NTC与STC任务表现之间的差异来体现，因为只有当某一项目颜色与当前目标之一相似时，才会捕获注意力即， 不在NTC试验上，因为NTC试验通常与单独目标试验（Target Alone trials）产生相同的准确度水平）。特定集合捕获由STC与DTC表现之间的差异来指示。我们已发表该任务的多个版本，其在试验类型配置上略有不同（即， 包含或不包含NTC和干扰物单独试验；仅包含滞后1和3，使用多种目标颜色，三个目标 等等。7,20,21,22).

该方法的一个显著特点是采用连续显示方式。每次试验仅包含表示该类型试验所需的最少成分（例如，一个外周干扰项、一个目标刺激，以及在干扰项与目标刺激之间呈现的所有字母）。"填充"刺激无缝连接前后两次试验，参与者在试次间间隔期间进行反应，只要他们察觉到目标即可响应。该间隔持续15至21帧（1740至2436毫秒），时间足够完成反应；大多数反应发生在700毫秒以内。该方法的一个优势是随机正确率接近0%；如果参与者遗漏了目标项目，他们通常不会明确意识到一次试验已经结束。这使得实验可能出现三种结果：1）识别出字母，导致正确反应；2）检测到但未识别的项目（例如，"我看到某个绿色的东西"），导致50%的概率产生正确反应；3）未检测到或遗漏的项目，导致无反应（记为不准确）。这三种结果比二选一迫选任务提供了更多关于刺激加工程度的信息，因为后者无法区分“检测到但未识别”（即反应错误）与完全遗漏（即遗漏错误）的情况。

我们在此描述的方法基于已发表的研究工作，其中参与者需搜索彩色字母。然而，该方法可修改后用于图像33，甚至其他刺激材料，例如词语34。此外，干扰物也可出现在中央显示区域中其他颜色的项目中，而不仅限于出现在周围区域的彩色字母（e.g., 中央显示区域中与目标颜色相同的数字）21。静态显示画面中也可能识别出特定集合的捕获效应。对该方法进一步拓展将使研究人员能够探究诸如奖励和动机对分心的影响35，或分心代价是否受到同时维持的目标数量调节33等课题。其他应用可能包括在真实场景中测量分心代价，例如执行高要求的视觉搜索任务时（e.g., 机场行李安检或医学影像筛查）36,37,38。

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方案

本文所述所有方法均经阿卡迪亚大学机构审查委员会批准。

1. 设计并准备实验以进行数据采集

注意：有关设计和试验类型的总体信息，请参见引言部分。有关每个子步骤中可做具体选择的更多详细信息，请参见讨论部分。有关任务的动态演示，请参见视频 1；有关任务的慢速演示，请参见视频 2。

  1. 选择试验类型（即， 目标单独呈现、相同目标彩色干扰、不同目标彩色干扰，以及干扰物单独呈现和非目标彩色干扰中的一种或两种，还有每种试验类型的首选试验次数7,20.
  2. 选择包含干扰项和目标项的每种试验类型中的目标-干扰项滞后长度例如， 滞后 1、2、3 和 4，或仅滞后 1 和 4 等等。)
  3. 为字母选择颜色——目标颜色、周围干扰颜色和中心填充颜色；目标颜色至少需要两种。确保目标颜色在颜色空间中的间隔至少为一个单位 "填充物" 在中央快速序列视觉呈现（RSVP）中出现的颜色。参见 图2 例如刺激颜色。
  4. 使用灵活且可靠的刺激呈现软件包来编程任务例如，采用 MATLAB 实现的 Psychtoolbox39).
    注意：请参阅软件教程，了解如何创建刺激呈现并收集反应。
  5. 确保字母刺激物的视觉角度为 2.07 × 1.88 度，字体为 Arial。将外周字母显示在中央字母左右两侧各 4.22 度视觉角度处。
  6. 每次显示画面持续 116 ms。
    注意：每个画面显示三个字母：一个中央字母和两个外周字母。
  7. 除目标出现外，指定 "填充物" 将颜色分配给中央快速序列视觉呈现（RSVP）中的字母（参见 图1）。将这些颜色随机分配，但需注意，在快速序列视觉呈现（RSVP）序列中时间上相邻出现的两个字母不能具有相同的颜色。
  8. 除了当彩色的外周干扰物出现时，将外周位置字母的颜色设为灰色。
  9. 每次试验后收集键盘反应，持续 1740 ms。
  10. 在整个实验过程中随机化所有试验的顺序。
  11. 在实验开始时安排一个包含两个部分的练习环节，以帮助参与者逐步适应任务，并使其接触所有类型的试验。
    1. 第一部分应至少包含16个仅目标刺激试验，以所有目标颜色呈现，每种颜色的出现频率相同。
    2. 在练习的第一阶段，通过在快速序列视觉呈现（RSVP）显示区域正上方添加待搜索目标颜色的色块，提醒参与者注意这些颜色，并使色块在整个练习第一阶段保持固定。
    3. 以较慢的RSVP速度开始练习，每帧250 ms。每次呈现目标时，将速度提高10 ms（即减少帧间隔时间），直至达到最终实验速度。
    4. 第二部分，移除色块并引入带有外周干扰物的试验类型。总共至少包含12次试验，并确保每种试验类型至少呈现一次。
  12. 每隔一分钟为参与者提供一次自主控制的休息时间。完成32次试验后，停止连续快速序列视觉呈现（RSVP）并显示一个提示屏幕，内容为： "请休息片刻。按空格键继续。" 在此屏幕上，提醒参与者他们需要寻找的颜色。显示以下文字： "作为提醒，以下是您的目标颜色：" 并随后进行 "ABCXYZ" 用每种目标颜色书写。

2. 安装实验装置

  1. 使用刷新率为 60 Hz 的计算机，以及能够提供毫秒级时间精度的显示器和显卡组合（参见材料表）。
  2. 确保键盘、显示器和受试者座椅位置固定，因为受试者与计算机屏幕之间保持正确且一致的距离至关重要。若使用共用空间，可使用遮蔽胶带在桌面/桌面上标记设备的预定位置。

3. 为实验招募参与者。

  1. 招募年龄在18至35岁之间、无神经系统疾病、视力矫正至正常且无色盲的受试者。
  2. 利用已发表的研究结果和/或预实验受试者数据进行功效分析，以确定合适的样本量。40,41

4. 测试参与者

  1. 根据授权审查委员会的政策获取必要的同意。
  2. 将受试者安置在距离显示器57 cm的位置，在此距离下屏幕上1 cm对应1度的视角。使用下颌托或由实验人员监督，以确保受试者保持该观看距离。
  3. 通过让参与者完成一项在线色盲测试来检查色盲情况42不要分析被认定为色盲的参与者的数据。
  4. 打开软件，进入实验文件夹，将根据第1节指南设计的实验脚本输入命令窗口，然后按回车键；程序将开始运行。
  5. 通过一系列屏幕上打印的说明指导参与者，这些说明可以由参与者自行控制阅读进度。除了让参与者阅读屏幕上的说明外，还需口头陈述以下内容： "这项任务难度很大，正确率平均约为75%。如果你感觉错误较多，请不要气馁。"
  6. 在实验过程中监督参与者，确保其与显示器保持恒定的观看距离，并正确完成任务（例如， 使用正确的反应键，并且没有入睡或分心。
  7. 在练习过程中提供反馈和鼓励。
    1. 提醒参与者关键的反应。告诉他们， "请记住， "J" 反应键用于响应来自字母表前半部分的任何目标字母，而 "K" 反应键适用于来自字母表后半部分的任何目标字母。请勿按压 "J" 一种目标颜色 "K" 对于另一个。"
    2. 提醒参与者在识别字母后放慢速度，仔细考虑应做出何种反应，且该反应将被记录下来 "正确" 即使不会立即发生。
  8. 当程序结束后，对参与者进行事后说明并予以解散。解释实验的目的并回答其提出的问题。询问参与者在实验过程中或完成任务时是否遇到任何困难。

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结果

我们报告了若干组代表性数据。在第一个示例中，设置了两个滞后时间点（1 和 3），两种干扰物试验类型（STC 和 DTC），共包含 57 名参与者。此外还包括仅目标（Target Alone）和仅干扰物（Distractor Alone）的试验类型。在以试验类型和滞后时间为因素的重复测量方差分析（ANOVA）中，每个因素均存在主效应，且二者之间存在交互作用。在滞后时间 3 时的表现优于滞后时间 1（平均值（M）= 0.655，标准误（SE）= 0.018 vs. M = 0.484，SE = 0.018），F(1, 57) = 107.6，p < 0.001，η2 = 0.654，表明当参与者恢复时间最短时，干扰造成的代价最大。在 STC 试验中的表现优于 DTC 试验（M = 0.640，SE = 0.020 vs. M = 0.499，SE = 0.016），

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讨论

使用该方法时需考虑若干因素。最关键的步骤是确保实验设计要求参与者同时搜索两个或更多目标，并且包含"STC"和"DTC"类型的干扰项试次，因为这些试次可为研究者提供特异性捕获效应的测量指标（STC - DTC）。此外，设置一种"NTC"试次类型有助于准确测量依赖性注意捕获（NTC - STC），尽管在必要时也可用“仅目标”试次的表现来估计NTC水平。为了获得最强的效应，建议包含滞后1帧（lag 1）的试次，但需注意，在采用中央干扰而非外周干扰的此类任务版本中，很可能出现滞后1帧豁免效应47,48。所谓滞后1帧豁免，是指当目标紧随干扰项出现时，其表现优于两者之间相隔一帧或多帧的情况；这被认为是因为两个项目在同一个注意窗口内被处理49。因此，如果出现滞后1帧豁免现象，则建议加入滞后2帧试次，以实现最大程度的干扰效应。其他滞后时程可根据研究者对捕获后恢复过程测量的需求选择性设置。包含多个滞后时程还可使从干扰项到目标的时间间隔保持不可预...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究得益于授予 K.S.M. 的阿卡迪亚大学和埃尔姆赫斯特学院的启动资金，埃尔姆赫斯特学院授予 E.A.W. 和 K.S.M. 的师生合作研究基金，以及阿卡迪亚大学授予 K.S.M. 的教师发展基金。我们感谢 Daniel H. Weissman 参与了使用本方案早期版本的前期出版物合作研究。我们还感谢其他参与收集本方案早期版本数据的学生，包括 Marshall O'Moore、Patricia Chen、Amanda Lai、Elise Darling、Erika Pinsker、Somin Lee、Celine Santos、Greg Ramos 和 Kathleen Trencheny。

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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
MATLABMathworksR2014b通用计算平台
PsychtoolboxPsychtoolboxPTB-3与 MATLAB 配合使用的函数工具箱
G*PowerUniversität DüsseldorfG*Power 3.1.9.2 for Windows用于辅助进行统计功效计算的软件
24” HDMI 游戏显示器ASUSVG248QE具有优异时序性能的高质量液晶显示器

参考文献

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