[科普中国]-听觉信息传递模式

简介

认知神经科学把人脑的认知加工过程看做是一种信息加工过程。关于这一过程，有一个被广为接受的基本假设：信息加工过程在时间维度上可以划分为不同的加工阶段。这些加工阶段通常由感觉登记、刺激识别、反应选择、反应准备和反应执行等组成。作为这一假设的重要推论：各个加工阶段之间在时间上是一种前后相继的模式，也得到了研究者的普遍认可。例如，在正常的认知加工过程中，只有先完成刺激识别阶段才会有相应的反应执行阶段，二者在时间维度上不能先后颠倒。由于研究手段的限制，在很长一段时间内研究者都无法直接研究阶段间的时间关系，而只能通过间接方式进行推测。这种情况不仅阻碍了认知理论的发展还导致了矛盾的研究结果和两种截然相反的理论假设。随着电生理技术的发展，对“前后两个阶段之间信息是如何传递的”进行直接观察已经成为现实，近年来的相关研究已经层出不穷。

信息传递理论到目前为止，研究者已经提出了两种针锋相对的信息传递理论，而且均不同程度上获得了实验证据的支持。它们分别是离散型信息传递假设和连续型信息传递假设。离散型假设认为信息只有在前一个阶段加工完毕后才能被传递到下一个阶段。前后两个阶段之间的关系是离散的，不会出现时间上的重叠，如下图。根据离散型假设，反应阶段只有获得了刺激的全部信息后才开始加工，所以这种理论模型具有准确性优势。然而，自然界中的刺激经常包含很多存在加工速度差异的特征信息（现在我们已经知道特征信息的加工速度是由其心理感受性来决定的），那么整个认知过程的加工时间就是由最慢的特征信息决定的。显然这不是一种最快的加工模式，尽管有着最好的加工准确性。不难看出，这种假设源自于“人脑加工机制类似于电脑加工”的隐喻。这种隐喻假设认知过程是由功能明确的脑区按照固定的步骤来进行加工的。

与此相反，连续型假设认为认知加工过程如同流淌中的水流一样，阶段间没有明显的时间界限。换句话说，连续型假设允许某个刺激的部分信息（先加工完毕的那部分信息）先行传递到后续加工阶段。例如，上图中特征A可以不必等特征B被加工完毕就先行传递到反应阶段，使得反应阶段可以提早开始。也就是识别阶段和反应阶段可以发生重叠从而节约时间，因此这种理论模型具有速度优势。但是，由于反应阶段可能是基于“部分信息”而非离散型假设的“完整信息”，准确性可能会不足，所以是一种速度与准确性权衡模式。

听觉信息传递的连续性尽管以阶段内为研究对象的行为和电生理证据表明听觉信息加工过程也是符合阶段论假设。即在时间维度上也分为感觉登记、刺激识别、反应选择、反应准备和反应执行阶段。但是来自功能磁共振研究表明，各个加工阶段是不同大脑功能网络完成，而非某个特异性脑区。例如，听觉信息的感觉登记和识别主要是在以颞叶为核心的听觉网络中完成的，而反应选择则涉及到背外侧前额叶为核心的认知控制网络，反应准备和执行则是由中央后回和辅助运动区为核心的运动网络。而且这些网络之间又彼此交叉，紧密关联。因此，通过这些研究我们仍然无法得出认知加工过程不同阶段间的时间关系。

单侧化运动准备电位(Lateralized Readiness Potential, LRP)的开发利用为这一问题的回答提供了契机。LRP是一种既具有高时间分辨特点又与运动准备阶段密切相关的脑电成分。研究者可以借助LRP来观察反应准备阶段是否有部分信息传递来鉴别两种理论假设（通常信息传递的过程可能只有几十毫秒）。最后，研究者发现当刺激特征信息之间存在加工速度差异时，刺激识别和反应准备两个阶段之间出现了部分信息传递现象，因此支持了连续型假设而排斥了离散性假设。

听觉信息传递灵活性当研究者发现听觉信息的传递模式具有连续性时，另一个重要的问题就浮现而来。那就是，这种连续型传递方式是否有维持条件？如果有，维持条件又是什么？最近的研究表明其答案是肯定的，而且维持条件并不是刺激的物理属性（例如听觉刺激的音调、音强、音高等），而是人脑对这些刺激的心理感受性，是一种心理属性。换句话说，人脑在加工具有感受性差异的刺激时，就会采用连续型信息传递模式。这种机制使得信息传递过程不是机械固定在某种不可改变的物理属性上（导致一种固定的加工模式），而是固定在可被经验、学习、环境和任务要求等所改变的心理属性上（导致一种可以改变的加工模式），为认知过程根据不同情境或条件进行灵活调节提供了基础，是一种灵活性的体现。

听觉信息传递的可塑性与理论矛盾的调和听觉信息传递的连续性是以刺激特征间心理感受性存在差异作为维持条件的，而心理感受性又能通过学习、经验和任务要求等改变。那么当这种维持条件消失时，也就是当刺激信息之间没有感受性差异时，信息传递模式又是什么样的呢。

带着这样的疑问，gong 等（2013）通过一个重复学习范式逐渐消除了特征间的感受性差异，最后令两个听觉特征具有了相同的心理感受性。研究者发现随着感受性差异的缩小，听觉信息的传递模式逐渐从连续型向离散型转变，最后当差异消失时其传递模式已经不再是连续型，取而代之的是离散型信息传递模式。需要指出的是，由于此时的刺激特征都具有较快的加工速度以及后续加工阶段获得的又是完整信息，所以这是一种速度与准确性并举的模式而非前面提到的准确性优势模式。

总之，这一研究结果调和了两种针锋相对的信息传递理论。即，连续型模式是刺激特征之间存在感受性差异时的信息传递模式。这在自然界中可能是一种普遍现象，尤其是面对陌生刺激时。因为听觉信息的传递速度是非常快的，当加工效率不足时权衡模式也许是非常必要的。而离散型是刺激特征之间没有感受性差异时的传递模式，兼具速度与准确性，这种情况一般发生在有意学习或训练之后。例如长期的音乐训练可以赋予音乐家同时加工大量听觉信息的能力。这可能与其信息传递模式已经从连续型转变为离散型有关。