该方案介绍了一种实验心理物理学范式,用于获取大量相似性判断数据,并提供了相应的分析流程。该范式可探究情境效应,并能够将相似性数据建模为至少五维的欧几里得空间。
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该方案介绍了一种实验心理物理学范式,用于获取大量相似性判断数据,并提供了相应的分析流程。该范式可探究情境效应,并能够将相似性数据建模为至少五维的欧几里得空间。
相似性判断常用于研究心理表征及其神经相关机制。该方法已被用于刻画多个领域的感知空间:颜色、物体、图像、词语和声音。理想情况下,研究者可能希望比较所有刺激对之间感知相似性的估计值,但这通常不切实际。例如,若要求受试者判断两件物品的相似程度是否高于另外两件物品,所需的比较次数将随刺激集大小的四次方增长。另一种策略是要求受试者对孤立的刺激对进行相似性评分,例如使用李克特量表。这种方法效率更高(评分数量随刺激集大小呈二次方增长而非四次方),但这类评分往往不稳定且分辨率有限,同时该方法还假设不存在情境效应。
本文提出了一种用于高效收集相似性判断数据的新型排序范式,并提供了一套分析流程(附带软件),用于检验欧几里得距离模型是否能够解释实验数据。典型的试验包含围绕一个中心参考刺激的八个刺激:受试者需将这些刺激按照其与参考刺激的相似性进行排序。通过在每次试验中精心选择刺激组合,该方法具备针对一致性和情境效应的内部控制机制。该方法已针对来自最高五维欧几里得空间的刺激进行了验证。
该方法通过一项测量37个词语之间相似性的实验加以说明。每次试验产生28组成对比较结果,形式为“与参照物相比,A是否比B更相似?”若直接比较所有刺激对的组合,将需要221445次试验;而本设计仅需222次试验获得的5994组成对比较结果,即可重构出感知空间。
人类通过心理加工和表征传入的感觉信息,以完成各种各样的任务,例如物体识别、导航、对环境进行推断等。相似性判断常被用于探究这些心理表征1。理解心理表征的结构有助于揭示概念知识的组织方式2。此外,通过将相似性判断与大脑激活模式关联,还可以深入了解神经计算过程3。同时,相似性判断能够揭示感知过程中显著的特征4。研究心理表征在发育过程中的变化,有助于阐明其学习机制5。因此,相似性判断为理解大脑中的信息处理提供了重要线索。
常见的 使用相似性构建心理表征的模型是一种几何空间模型6,7,8应用于感觉领域时,这类模型通常被称为感知空间9空间中的点代表刺激,点之间的距离对应于它们之间的感知差异程度。通过相似性判断,可以获得差异程度的定量估计值。这些成对的差异值(或感知距离)随后可用于构建感知空间模型 通过 多维尺度变换10.
收集相似性判断的方法有多种,每种方法都有其优缺点。获取相异性定量度量最直接的方式是要求受试者使用量表对每对刺激之间的相异程度进行评分。虽然这种方法相对快捷,但在长时间的实验过程中,由于受试者无法回溯修改先前的判断,且无法检测是否存在情境效应,导致估计结果往往不稳定。(此处将情境效应定义为:当其他未被直接比较的刺激存在时,两个刺激之间被判断的相似性发生改变。)另一种方法是要求受试者将所有刺激对与其他所有刺激对进行比较。尽管这种方法可以获得更可靠的相异性排序,但所需比较次数随刺激数量的四次方增长,因此仅适用于较小的刺激集合。诸如将刺激归入预设数量类别11 或自由分类等更快速的替代方法也有其局限性。自由分类(可分成任意数量的组)虽然直观,但它迫使受试者对刺激进行归类,即使这些刺激本身并不适合归类。较新出现的多排列方法(即逆向多维标度法)克服了其中许多限制,且效率很高12。然而,该方法要求受试者将其心理表征投射到二维欧几里得平面上,并以特定的几何方式考虑相似性,这隐含假设了相似性结构可以从平面上的欧几里得距离中恢复。因此,仍需要一种高效的方法来收集大量相似性判断数据,同时不依赖于对判断背后几何结构的假设。
本文描述了一种既具有合理效率又能避免上述潜在问题的方法。通过在每次试验中要求受试者将刺激按其与一个中心参照物的相似性进行排序13,可以直接探测相对相似性,而无需对受试者反应的几何结构做出任何假设。该实验范式重复进行一部分比较,其中既包含相同背景也包含不同背景的条件,从而能够直接评估背景效应,并以选择概率的形式获取分级反应数据。分析过程将这些排序判断分解为多个成对比较,并利用这些比较构建和搜索能够解释判断结果的感知空间的欧几里得模型。该方法适用于详细描述中等规模刺激集(例如19至49个刺激)的表征。
为了验证该方法的可行性,开展了一项实验,采用37种动物作为刺激材料。数据在10个每小时一次的实验阶段中收集,并对每位受试者的数据进行独立分析。分析结果表明,不同受试者之间具有一致性,且情境效应可忽略不计。此外,该研究还利用刺激物感知空间的欧几里得模型,评估了受试者对刺激物间差异感知的一致性。本文所提出的实验范式与分析流程具有良好的灵活性,预期可为致力于刻画多种感知空间几何特性的研究人员提供帮助。
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实验开始前,所有受试者均根据机构指南和《赫尔辛基宣言》签署知情同意书。本研究的方案已获得威尔康奈尔医学院机构审查委员会的批准。
1. 安装与设置
2. 通过建立自定义实验进行数据采集
注意:步骤3.1之前的操作流程同时适用于图像实验和词语实验。在此步骤之后,两个实验的流程相同,因此不再单独说明图像实验。
3. 创建排序实验

图1:实验试次的代表性示例(步骤3.3)。(A)每一行包含单次试次的详细信息。表头表示刺激在圆周上的位置。ref下的刺激出现在中心,stim 1至stim 8则围绕参考刺激排列。(B)A中的第一个试次(行)由PsychoPy渲染,显示围绕参考刺激“猴子”的八个刺激。请点击此处查看该图的放大版本。
注意:此时,一个完整的实验运行(即一个完整数据集)所需的全部 222 次试验已经生成。图 1A 展示了上述脚本为“word”实验生成的条件文件的一部分(见代表性结果)。
4. 运行实验并收集相似性数据
5. 分析相似性判断
注意:要求受试者按照与参考刺激的相似性顺序点击刺激,从而在每次试验中提供一个排序。对于标准实验,每项试验重复五次,生成相同的八个刺激的五次排序结果(见图2B)。这些排序判断被解释为一系列比较过程,即受试者对感知距离的成对比较。假设受试者在每次点击前都会提出如下问题:“参考刺激与刺激A之间的(感知)距离是否小于参考刺激与刺激B之间的距离?”如图2C所示,这将为每次试验产生多个成对相似性比较的选择概率。下文的分析将使用这些选择概率。

图 2:从排序判断中获取选择概率。(A)我们开展的词汇实验中一个试次的示意图。(B)同一试次在多个实验阶段中获得的五种排序结果。(C)排序判断所对应的成对差异性比较的选择概率。请点击此处查看该图的放大版本。
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图1A展示了在步骤3.3中由脚本生成的条件文件的一部分,用于词汇实验。每一行对应一个试验。ref列中的刺激呈现在显示器中央。列名stim1至stim8对应圆周上的八个位置,从中央参考位置右侧开始逆时针排列。词汇实验中的一个示例试验如图1B所示。
为了验证该方法的可行性与可重复性,开展了一项实验,其中刺激集包含37种动物的名称。作为一项研究的一部分,从八名视力正常的健康受试者中收集了完整的数据集。为展示该方法,本文展示了其中三名受试者的数据,这三名受试者中有两名对研究目的不知情。所有受试者均按照《赫尔辛基宣言》以及威尔康奈尔医学院的机构指南签署了知情同意书。
数据采集后,执行上述初始处理步骤(方案步骤 4.10–4.12)。将被试在每次试验中的反应解释为一系列独立的二元选择,形式为“参考刺激与 s1 之间的距离是否小于参考刺激与 s2<...
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本方案适用于获取和分析可视觉呈现的刺激材料的相似性判断。首先讨论实验范式、分析方法及可能的扩展,随后探讨该方法的优缺点。
实验范式:本方法以包含37个动物名称的领域为例进行演示,并提供了一组感知判断的示例数据集,以便读者能够按照步骤5进行分析,并重现图3–6 中的部分内容(方案步骤1.4)。实验设计将这37个刺激分为222次试验——每次试验包含一个位于中心的参考刺激和八个环绕排列的比较刺激——并满足以下若干条件:a)37个刺激中的每一个均作为参考刺激出现相同次数(六次)(222 = 37×6);b)在某一刺激作为参考刺激的六次试验中,其余36个刺激均至少有一次作为比较刺激出现;c)24个刺激与某一给定参考刺激仅进行一次比较;d)有六对刺激分别在两个独立的试验中与同一参考刺激进行比较。该范式的一个关键特征是:对于每个参考刺激,有六对比较刺激在不同情境下出现,这使得我们能够在步骤5中检验情境效应(见图...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由美国国立卫生研究院(NIH)资助,项目编号 EY07977。作者还感谢 Usman Ayyaz 在软件测试方面的协助,以及 Muhammad Naeem Ayyaz 对手稿提出的修改意见。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 计算机工作站 | N/A | N/A | 操作系统:Windows / MacOS 10 或更高版本 / Linux;3.1 GHz 双核 Intel Core i5 或同级别处理器;8GB 或以上内存;具备文件读写与执行权限的用户权限 |
| conda | 版本 4.11 | 操作系统:Windows / MacOS 10 或更高版本 / Linux | |
| Microsoft Excel | Microsoft | 任意版本 | 用于打开并随机排列实验条件文件中的行和列。 |
| PsychoPy | N/A | 版本 2021.2 | 用于运行心理物理学研究的框架 |
| Python 3 | Python 软件基金会 | Python 版本 3.8 | Python3 及其相关内置库 |
| 必需的 Python 库 | N/A | numpy 版本:1.17.2 或更高;matplotlib 版本 3.4.3 或更高;scipy 版本 1.3.1 或更高;pandas 版本 0.25.3 或更高;seaborn 版本 0.9.0 或更高;scikit_learn 版本 0.23.1 或更高;yaml 版本 6.0 或更高 | numpy、scipy 和 scikit_learn 是包含优化和向量运算内置函数的计算模块。matplotlib 和 seaborn 是绘图库。pandas 用于读取和编辑 csv 文件中的数据。 |
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