可察觉差异阈值
来源：Jonathan Flombaum 实验室——约翰斯·霍普金斯大学
心理物理学是心理学和神经科学的一个分支，旨在解释物理量如何转化为神经元的放电活动以及对强度的心理表征。该领域关注的一类问题涉及最小可觉差（JND）：一个刺激需要改变多少，这种变化才能被察觉？为了帮助理解这一概念，可以考虑这样一…
1. 仪器设备
- 本实验需使用计算机及实验实施软件（如 E-Prime），或编程环境（如 MATLAB 或 PsychoPy）。
2. 刺激材料与实验设计
- 本实验将采用相同的基本设计进行多次重复试验。屏幕上会同时出现两个圆盘，一个位于左侧，另一个位于右侧。其中一个始终比另一个大，任务是通过按键选择较大的那个。具体细节如下：
- 编程使实验绘制一个半径为 10 px 的蓝色圆盘。该圆盘将在每次试验中出现，垂直方向居中显示，水平方向则居于屏幕左半部分或右半部分的中心。这种在每次试验中保持不变的刺激有时被称为恒定刺激法。这仅表示每轮试验中的两个刺激之一始终相同。因此，该 10 px 的蓝色圆盘即为恒定刺激。
- 在每轮试验中，与恒定刺激相对的位置显示另一个蓝色圆盘。该圆盘称为比较刺激。其半径在 5 至 9 px 和 11 至 15 px 之间，共 10 种可能取值。在实验中，每种可能的比较刺激各进行 10 次试验。因此，整个实验共包含 200 次试验。
- 将两个刺激在屏幕上显示 200 ms，随后显示仅包含“哪个更大？L/R？”的屏幕。图 1 示意了每轮试验中的事件序列。
- 按“L”键表示左侧物体更大，按“R”键表示右侧物体被感知为更大。
- 确保程序将以下重要数据输出至表格中：试验编号、比较刺激的大小、比较刺激的屏幕位置、正确答案以及参与者给出的反应。图 2 展示了此类数据表的一个示例。
图1. 测量圆大小的最小可觉差（JND）实验中单次强制选择试验的示意图。 首先，准备界面提示参与者试验即将开始。随后，两个蓝色圆盘并排出现在屏幕上，持续显示仅200 ms，随后界面提示参与者做出反应。“L”键用于表示左侧物体，“R”键用于表示右侧物体。
图 2. 强迫选择 JND 实验的一个示例输出表格。 各列报告了实验程序中的相关数据。
3. 运行实验
- 招募一名受试者，当她到达实验室时，告知她将参与一项关于形状知觉的简单实验，然后让她签署知情同意书。
- 让受试者坐在测试计算机前，并按如下方式说明任务内容：
- 本实验的每一次试验都包含相同的基本流程。首先，你会在屏幕上看到“Ready?”字样。当你准备开始试验时，请按下空格键。随后，屏幕两侧会非常短暂地出现两个蓝色圆盘。当它们消失后，屏幕上将显示“Which was bigger, L/R?”（哪一个看起来更大，左边还是右边？）。你的任务是报告你认为哪个圆盘看起来更大，是屏幕右侧的还是左侧的。本实验共有200次试验，但每次都很短暂，整个实验应在五分钟内完成。你有任何问题吗？
- 回答完任何问题后，启动实验程序，让受试者开始实验。让她独自留在安静的测试房间内，直至实验结束。
4. 分析结果
- 分析结果时，首先要确定哪些反应是正确的，哪些是错误的。为此，在数据输出表中添加一列，将给出的反应与正确反应进行比较，若反应正确，则在该列中标记为 1，若不正确，则标记为 0。
- 快速检查以确保表现合理——当比较对象为 5 和 15 像素时，参与者应达到或接近完全准确，因为与 10 相比差异足够大，不应出现错误。
- 现在在数据表中再添加一列，命名为“选择比较对象的比例（Proportion of C Responses）”。在该列中记录参与者选择的是比较对象还是恒定对象。如果选择了比较对象，则在该列中标记为 1；如果选择了恒定对象，则标记为 0。
- 接下来，针对每个比较对象的大小，计算参与者选择其为较大对象的频率比例。对于大小为 5 的比较刺激，该数值应接近 0；而对于大小为 15 的比较刺激，该数值应接近 1。
- 为了直观展示结果，按以下方式绘制图形：创建散点图，横轴（x 轴）表示比较对象的大小，纵轴（y 轴）表示其被选择的比例。图形将类似于图 3所示。
图3. 通过强迫选择实验测定圆半径的差别阈限（JND）的结果。 图中绘制的是被试选择比较刺激更大时所占的比例，作为比较刺激尺寸的函数。标准刺激的半径始终保持为10 px。
某物需要发生多大程度的变化才能被察觉到差异？
试想一下快速成长的幼儿，他们几乎每天都在长高。然而，这些细微的变化往往难以察觉，尤其是当他们仍然够不到篮球筐的时候。
在更长的时间范围内，他们的生长突增变得非常明显；事实上，增长的幅度可能看起来非常巨大！这些身高上的变化只有在经过一段时间后才会被注意到，因为每天微小的差异太小而无法察觉。
最小但可感知的量称为最小可觉差，就此例而言，即为能够察觉到的最小生长量。
本视频展示了一种测量形状大小的最小可觉差的标准方法。我们不仅讨论了设计和实施实验所需的各个步骤，还解释了如何分析数据并解读结果，以说明在面积上需要发生多小的变化才能被人眼察觉。
在本实验中，向参与者短暂呈现两个大小不同的圆，并要求其判断哪一个更大。
每次试验中，其中一个圆的周长始终保持不变，而另一个圆的周长则进行变化。这种方法被称为恒定刺激法。
在此情况下，固定刺激被设计为半径10 px，并随机出现在屏幕左侧或右侧。相比之下，另一个称为比较刺激的圆，其半径将在5至9 px以及11至15 px之间变化。
在这10种可能的情况下，比较刺激在每一侧各呈现10次，总共进行200次试验。因变量记录为被试选择哪个刺激为较大的那个。
如果参与者感知到两个刺激在大小上存在差异，则预期其会选择正确。然而，当两个形状的周长较为接近且低于最小可觉差时，其表现预计会下降。
实验开始时，在实验室中向参与者打招呼。让他们舒适地坐在计算机前，然后说明任务指示：屏幕上将显示“Ready?”字样，直到他们按下空格键为止。
观察两个蓝色刺激出现，并指示参与者通过按“L”键（表示左侧）或“R”键（表示右侧）来判断他们认为哪个刺激更大。提醒他们，如果无法确定哪个更大，也应进行猜测。
回答完参与者可能提出的任何问题后，离开房间。让参与者在5分钟内完成全部200次试验。当他们完成后，返回房间并感谢他们参与本次实验。
为了分析数据，首先调取记录每位参与者反应的程序化输出文件。快速浏览数据，以确保实验表现合理——即当比较刺激的大小为 5 和 15 px 时，准确率接近完美。
接下来，在输出表格中添加一列，命名为“Accuracy”，用于判断记录的答案是否正确。将所有试验中给出的答案与正确答案进行比较。使用以下 IF 语句，在答案正确时记录为 1，错误时记录为 0。
现在，在表格中添加另一列，命名为“比较响应比例”。将“比较位置”列与“响应”列进行比较，并使用一个新的 IF 语句，当选择比较刺激时标记为“1”，若选择的是恒定圆圈则标记为“0”。
为了可视化结果，绘制一个散点图，以比较刺激的大小为横轴（x轴），以被选择为较大的比例为纵轴（y轴）。请注意，标准刺激的半径始终为10像素，因此半径为5或6像素的刺激几乎从未被选中，而半径为14或15像素的刺激则总是被选中。
当半径为9或11像素时，比较变得更加困难，参与者经常出错。事实上，表现处于随机水平，表明差异未被感知。
为了计算最小可觉差，取被选择75%时间的比较尺寸（在此情况下为半径12），减去被选择25%时间的比较尺寸（半径8），然后将结果除以2，得到答案为2 px。
换句话说，圆的半径至少需要相差 2 px，其大小才能被准确感知。
现在您已经熟悉了视觉物体大小感知中的最小可觉差，接下来让我们探讨这种范式在神经生理学研究中的应用，以揭示大脑如何做出反应，以及在其他行为情境中的应用，例如区分食物中的脂肪含量水平。
研究人员已探究视觉皮层中的单个神经元如何编码外界物体的物理特性，例如物体的大小。
通过结合刺激呈现与测量放电模式的电生理记录技术，研究人员发现，对大小敏感的神经元有时会对实际大小不同的物体产生相同的反应。
这就是为什么JND是刚刚能被察觉的：有时，在大脑中，相关刺激确实会产生无法区分的效应。
此外，研究人员已采用最小可觉差任务来表征个体对食物中脂肪浓度的检测阈值。
他们发现，体重指数较高的个体在尝到样品中脂肪酸之前，需要更高的可察觉差异（即更高的阈值）。这些结果可能为限制过量脂肪摄入提供新的方法。
您刚刚观看了 JoVE 关于最小可觉差的简介。现在，您应该已经很好地理解了如何设计和运行该实验，以及如何分析和评估实验结果。
感谢观看！
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is a just-noticeable difference in psychology?
A just-noticeable difference (JND) is the minimal amount of change in a stimulus that a person can perceive. For example, children grow daily but changes go unnoticed until weeks pass and growth becomes obvious. JND represents the threshold where small accumulated changes finally become perceptible to the human sensory system.
Q2: How does the method of constant stimulus work in JND experiments?
The method of constant stimulus presents one unchanging reference stimulus alongside a comparison stimulus that varies. Participants judge which is larger, with the constant stimulus maintaining a fixed size while the comparison stimulus changes across trials. This forced-choice paradigm reveals the threshold where participants can reliably detect differences between stimuli.
Q3: How do you calculate a just-noticeable difference from experimental data?
To calculate JND, identify the comparison size chosen 75% of the time and subtract the size chosen 25% of the time, then divide by two. For example, if a 12-pixel radius was chosen 75% of the time and an 8-pixel radius 25% of the time, the JND equals (12 − 8) ÷ 2 = 2 pixels, indicating the minimum perceptible difference.
Q4: Why do neurons in the visual cortex sometimes respond identically to different-sized objects?
Neurons sensitive to size sometimes produce indistinguishable firing patterns for objects that are actually different sizes. This neural limitation explains why JNDs are just-barely-noticeable: the brain's relevant stimuli can generate identical neural responses even when physical properties differ slightly, creating a perceptual threshold.
Q5: What does accuracy data reveal about perception near the just-noticeable difference?
When comparison stimuli are far from the constant stimulus size, accuracy is near perfect. However, near the JND threshold—such as 9 or 11 pixels compared to a 10-pixel constant—performance drops to chance level, indicating participants cannot reliably perceive differences and are essentially guessing.
Q6: How have researchers applied JND tasks to study fat detection in food?
Researchers used just-noticeable-differences tasks to measure individual thresholds for detecting fat concentrations. They found that individuals with higher body mass index required greater JND thresholds before tasting fatty acids, suggesting potential approaches to limit excess fat consumption through personalized dietary interventions.
Q7: What is psychophysics and how does it relate to just-noticeable differences?
Psychophysics explains how physical quantities translate into neural firing and mental representations of magnitude. JND research addresses core psychophysical questions: How much must something change to be perceivable? Researchers measure JND across sensory domains—brightness, loudness, and size—using forced-choice paradigms to establish perceptual thresholds.