传递性推理的ERP研究，本文主要内容关键词为：ERP论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
文章编号：1001-4918（2009）04-0068-74中图分类号：B842.1文献标识码：A
1 引言
传递性推理（Transitive inference）是一种类似于三段论的间接的关系推理，它由两个或两个以上具有传递性关系的判断构成推理前提，通过推理判断得出哪个最大或哪个最小。根据中项位置的不同可以把传递性推理分成三类：一，同向性命题，如“G＞B，B＞F”或者“F＜B，B＜G”；二，关系异向性命题，如“G＞B，F＜B”，一个前提的关系是另一个前提关系的逆反；三，前提异向性命题，如“B＜G，F＜B”。亨特提出了操作模型，认为对于同向性命题，可以简单快速的作出大小判断；而对于异向性命题，则需要进行重新排序或者某种换位，需要一些额外的心理操作。因此异向性推理比同向性推理的加工时间更长[1]。对于人们在进行传递性推理时，经历了什么样的心理加工过程？目前主要有三种论点：规则理论、心理模型理论、双加工理论。规则理论认为人们的推理过程类似于逻辑证明过程，所使用的推论规则（抽象形式）存储于某种心理逻辑体系当中。推理时，个体会首先去鉴别前提的逻辑形式，然后选用相应的逻辑规则来完成推理任务[2]。心理模型理论认为在推理过程中无须应用逻辑规则，推理过程就是对心理模型的表征和操作。人类在进行推理时首先会建构关于前提的外显心理模型，接着判断该模型是否可以得出相应的结论；如果工作记忆容量允许的话，个体会进一步建构关于前提的内隐心理模型来对所得出的结论进行证伪。因此，推理过程主要是通过搜寻反例来证实结论是否成立的非演绎过程[3～4]。为了进一步整合规则理论和模型理论之间的争论，Evans等人通过系列研究和分析，提出了关于人类推理的双加工理论，他们认为人有两套不同的推理系统，其中系统Ⅰ是快速、平行、自动的加工，是一种无意识的平行加工过程；系统Ⅱ是缓慢、系列、受意识控制的加工过程，是一种需要工作记忆参与的系列加工过程[5～6]。
按照不同的理论观点，人们在进行推理时的大脑激活区域应当存在明显的差异[7～11]。Goel等人利用PET技术对范畴三段论推理和线性推理进行研究，结果发现，被试在推理过程中激活的主要是负责言语加工的左额叶和颞叶区[7，8]。心理模型理论认为推理是一个受语义约束的视觉空间搜索过程，有关研究发现了推理中与视觉空间表征相关的脑区的激活，主要是顶枕联合区和楔前叶的两侧以及前额叶和前扣带回[9，10]。另外，Ruff发现个体的视空操作技能越高，推理任务成绩越好，但脑区激活程度越低。这说明视空操作技能越高，对视空过程的资源越少，从而推理脑区的兴奋度越低，这也从侧面说明了视空操作在推理中的作用[11]。Knauff等人利用fMRI技术研究了分别对应于心理模型中前提加工、整合和结论确证三个阶段的认知神经加工过程。结果发现，第一个阶段的推理过程和工作记忆中对命题信息的保持相关，激活的是枕—颞叶脑区。后两个阶段是推理过程所特有的：在第二个阶段，推理者需要将工作记忆中独立的信息整合成一个试验性的模型，激活的是前额叶和扣带前回。最后一个阶段是通过反例的搜寻对结论进行确证。该阶段表现出右侧的后部顶叶和两侧的前额叶的激活[12]。这一研究结果说明了视觉表征参与的是早期的命题加工，随着推理过程的进行，更抽象的空间表征开始起主要作用[12]。Knauff进一步提出只有包含了视空表征信息的内容才会促进推理，而与推理无关的视觉表象细节会阻碍推理活动的进行[13]。邱江等采用ERP技术对三段论推理进行了研究，发现整个推理过程包含了三个阶段：首先是对小前提的早期的一个视觉上的加工；其次是对大小前提之间关系的整合，形成一个心理表象；最后是把推理结果保持在工作记忆里面，当选择任务出现时，能够成功的提取出来[14]。
综合以上研究结果，几种认知理论都在不同程度上得到了认知神经心理学研究的支持。不过，它们在很多方面仍然存在着分歧，主要表现在：左右脑在推理中的不同作用、视觉—空间加工系统和语言加工系统与人的推理逻辑能力的关系。目前关于传递性推理认知机制的行为研究，结论缺乏一致性，不能很好的解释和预测人类的传递性推理行为；关于传递性推理的PET和fMRI研究获得了许多重要的发现，但是由于fMRI研究的时间定位不够精确，不能很好地揭示传递性推理的实时加工过程和脑电活动情况。因此，本研究试图利用ERP技术，采用三种不同的传递性推理前提和一种基线任务（记忆提取），通过64导电极帽记录EEG，采用偶极子分析的方法研究大脑的实时加工过程，探索传递性推理的加工过程（对演绎推理加工阶段进一步研究），并进一步验证传递性推理的理论。
2 研究方法
2.1 被试
选取西南大学的15名大学生，男7名，女8名，年龄18～22岁，平均为19.6岁。皆为右利手，接受的教育年限均超过13年，没有生理或精神方面的疾病，视力或矫正视力正常，做完实验后被试均获取适量报酬。
2.2 刺激材料
选取抽象的内容（26个英文字母）作为实验材料，采用传递性推理的经典测查方式，如“G＞B B＞F”。针对相同逻辑关系的推理前提，采用三种不同的方式进行呈现：①同向性命题，例如，“G＞B B＞F”②关系异向性命题，例如，“G＞B F＜B”③前提异向性命题，例如“B＜G F＜B”。为了防止被试预先对问题进行加工，分别用两种方式“谁最大？谁最小？”进行随机提问。每一组都构造了60个命题；另外选择180个命题作为基线任务（BS），所谓基线任务就是指命题中的两个对象相同，关系符号相反，例如“A＞B B＜A”，问“谁最大？谁最小？”。所有的字母大小均为20号宋体，随机呈现于17英寸计算机的屏幕中央。
2.3 实验程序与任务
实验开始前，告诉被试，下面是一些比较大小的题目，每一个题目都是有两个前提、一个问题和备选项组成，被试需要在前提1和前提2出现后立即推测相应的结论，并且根据问题从备选项中选择出正确的答案，屏幕上的备选项①②③对应于键盘上的“1”“2”“3”键（右手的食指、中指和无名指依次放在数字1、2、3键上），具体刺激流程如图1。整个实验分为两个部分，首先进行练习程序，被试完成四种类型的实验任务，熟悉实验流程和实验任务。随后，将360个命题分成6个组块进行正式测试，每个组块有60个命题，组块之间被试可以进行适当的休息。实验时被试静坐于实验室内，两眼注视屏幕中央，眼睛距屏幕60 cm左右，要求被试尽量少动，答案呈现时尽量不眨眼，尽可能快而准地作出按键反应。
图1 传递性推理的刺激流程图
2.4 脑电记录和分析
采用德国Brain Products公司的ERP记录与分析系统，按国际10～20系统扩展的64导电极帽记录EEG，以双耳乳突的连线作为参考电极，双眼外侧安置电极记录水平眼电（HEOG），左眼上下安置电极记录垂直眼电（VEOG）。每个电极处的头皮电阻保持在5kΩ以下。滤波带通为0.05～100Hz，采样频率为500Hz／导。完成连续记录EEG后离线（off line）处理数据，自动校正VEOG和HEOG，并充分排除其他伪迹。在本实验中，传递性推理过程主要发生在前提2出现以后，因此分析时程（epoch）为前提2出现后2000 ms，基线为前提2出现前100 ms；并且只对反应正确的EEG进行叠加。波幅大于±80（V者被视为伪迹自动剔除）。根据本实验的目的、总平均图以及电压地形图，选取大脑中央部位的9个电极点，分别进行二因素重复测量的方差分析，二个因素分别为推理的任务类型（①、②、③、基线组）和记录点（FCz、FC1、FC2、Cz、C1、C2、CPz、CP1、CP2）。方差分析的P值采用Greenhouse Geisser法校正，脑电地形图由64导数据得出。
2.5 偶极子溯源分析
使用Brain Electrical Source Analysis Program（BESA，Version 5.0）软件，选择四壳球头模型，对ERP数据进行偶极子溯源分析。为了更准确地探讨传递性推理的脑内发生源，提高源定位的精度，选取“推理任务”和“基线任务”反应所诱发的ERP差异波进行主成份（PCA）分析，确定偶极子个数后，软件自动确定偶极子的位置，以相应的残差作为偶极子定位是否真实的评价指标。
3 结果
3.1 行为数据
3.2 脑电数据
根据总平均图和差异波地形图（见图2，3）可以发现，“推理任务”和“基线任务”两类反应都诱发了一些明显的早成分，如N1和P2等，其中N1的潜伏期约在100 ms左右，P2的潜伏期约在210 ms左右。随后，两类反应诱发的ERP晚成分均表现出一个负走向的变化趋势。采用平均振幅法对100～1400 ms间隔的时间窗口进行二因素重复测量的方差分析（每间隔50 ms分析一次），结果发现，在100～300 ms时窗内，推理类型的主效应不显著（
＝1.47，p＜0.05），电极位置的主效应显著（
＝19.55，p＜0.001）。在300～700 ms时窗内，三种推理任务比基线任务诱发一个更负的成分，四任务类型均诱发一个晚期负成分（LNC）。方差分析的结果显示，推理类型的主效应显著（＝13.45，p＜0.001），电极位置的主效应显著（＝7.53，p＜0.05）；在此时间窗口下，通过事后比较分析发现，三种推理任务与基线相比都存在着显著差异，而三种推理任务之间不存在着显著差异，四种任务类型下的平均波幅值：基线（5.35）＞①（3.41）＞②（3.31）＞③（3.18）。在800～1000 ms时窗内，推理类型的主效应没达到显著水平（＝2.89，p＞0.05），电极位置的主效应显著（＝5.16，p＜0.05）。在1000～1200 ms时窗内，推理类型的主效应没有达到显著水平（＝2.60，p＞0.05），电极位置的主效应显著（＝5.69，p＜0.05）。在1200～1400 ms内，推理类型的主效应达到了显著水平（F[,（3，42）]＝3.70，p＜0.05），电极位置的主效应也显著（＝9.90，p＜0.001）；在此时间窗口下，通过事后比较分析发现，推理类型②与类型③、基线相比存在着差异。
通过总平均图和以上的统计分析，可以看出三种推理任务所诱发的ERP波形基本一致，因此仅选取了同向命题的推理任务①与基线任务进行差异波分析，见图3。
3.3 源分析
使用BESA软件对“推理任务”和“基线任务”两类反应所诱发的ERP差异波作偶极子溯源分析，结果见图4。根据统计检验的结果，选定反应类型主效应显著的300～700 ms和1200～1400ms的时窗进行主成分分析（PCA）。结果发现，在300～700 ms的时窗，有一个成分可以解释总变异的97.0％，因此选定一个偶极子进行拟合，不限制偶极子的方向和位置。该偶极子主要位于扣带前回（BA23:anterior cingulate）附近（三维坐标以Talairach为参考：x＝9.70，y＝－30.70，z＝19.40）。在474 ms处该偶极子处于激活的顶峰，能较好地解释绝大多数的变异，残差为11.67％。在1200～1400 ms的时窗，有一个成分可以解释总变异的96.1％，因此选定一个偶极子进行拟合，不限制偶极子的方向和位置。该偶极子主要位于扣带后回（BA31:posterior cingulate）附近（三维坐标以Talairach为参考：x＝－6.90，y＝－37.60，z＝－3.80）。在1252 ms处该偶极子处于激活的顶峰，能较好地解释绝大多数的变异，残差为8.61％。
4 讨论
行为研究的结果发现，在正确率上，三种推理任务之间不存在显著差异，推理任务与基线任务之间存在着差异。根据事后对被试推理策略的询问可知，主要采用了从左到右或者从上到下的策略对不同的任务进行从大到小或者从小到大的排序，运用了视觉的空间表征对信息进行加工，在两个前提间进行整合形成一个最大与最小的心理表象，因此同向性命题与异向性命题相比，在推理策略上不存在着差异，因此在正确率上没有出现差异。在反应时上，三种推理任务与基线任务相比存在着显著差异，任务①、③与任务②之间存在着显著差异。在推理任务中，形成的是三术语的空间表象，在基线任务中形成的是二术语的空间表象，因此在选择答案阶段，推理任务的记忆维持要比基线任务的记忆维持付出更多的认知资源；三种推理任务之间，在对任务②进行空间表征的时候，需要在大于和小于之间进行转换，在对任务①、③进行空间表征的时候，不存在大于和小于之间进行转换的问题，因此任务②的反应时要比任务①、③的反应时长；此外脑电数据的结果也发现，在1200～1400 ms的时间窗口内，任务②与任务③之间也存在着差异。研究结果部分地支持了亨特的观点，对于异向性命题，确实需要进行某种换位，需要一些额外的心理操作。
图4 差异波（推理减基线）在300～700ms（左边）和1200～1400ms（右边）的偶极子溯源分析图
从脑电结果上来看（根据总平均图和差异波的电压地形图），三种推理任务的ERP成分基本上是相同的，而推理任务与基线任务之间存在着显著差异。根据偶极子定位可以看出传递性推理的脑机制。
首先在小前提出现后的50～200 ms内，是对命题早期的视觉上的加工，根据行为数据和总平均图知道，推理任务与基线任务之间不存在着差异。主要是因为基线任务不是简单的重复记忆，推理任务与基线任务都要作出大小匹配转换。
其次，在小前提出现后的300～700 ms内，推理任务比基线任务诱发了一个更负的ERP成分。在本研究中，在前提2出现以后，个体需要足够多的认知资源来推断两个前提是否相同。如果两个前提相同，被试只需要作出简单的二术语推理判断；如果两个前提不相同，被试会对三个术语的信息进行整合，运用了视觉的空间表征对信息进行加工，在两个前提间进行整合形成一个心理表象，进而作出最大或最小的判断。在选取的九个电极点上，四种任务下的平均波幅值：基线＞①＞②＞③，这说明四种任务之间确实存在着难度上的不同，但这种不同在三种推理任务之间并没有达到显著差异。在300～700ms窗口内的差异波（推理减基线）是一个晚期的负成分（LNC），一些研究[17，18]发现LNC是与工作记忆、注意等认知成分相关的，这说明，推理任务与记忆任务相比，要占用更多的注意资源；三种推理任务之间存虽然也存在差异，但没有达到显著水平。根据差异波的电压地形图也可看出，推理加工的完成主要激活了大脑中央的部位，左右半球都有参与。对差异波的偶极子溯源分析表明发生源在扣带前回（BA24）。Ruff等（2003）的研究中发现，推理任务在前额皮质有很大的激活，主要包括扣带前回等区域[11]。一些研究也表明内侧额回和扣带前回的激活可能反映了推理过程中对多渠道信息的整合[17～19]。在演绎推理中，扣带前回与信息的整合有关的观点，在本研究中得到了进一步的验证和发展。Knauff等（2002）的研究表明不同的认知加工都会激活扣带回，但关于它的主要功能目前并没有一个让人接受的理论[20]。问题出现以后，为了快速的作出反应，被试需要在工作记忆中保留心理表象。这个加工主要激活了背外侧的前额叶（dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC）[21]。在本研究中，差异波（推理任务减基线任务）的偶极子定位分析表明DLPFC没有被激活；主要是因为，对于基线任务，被试也需要把前提2保留在工作记忆中。
最后，在小前提出现后的1200～1400 ms内，推理任务比基线任务诱发了一个更负的ERP成分。差异波的偶极子定位分析表明发生源在扣带后回（BA31），这个区域与情绪加工有关[22，23]。Ruff等（2003）的研究发现海马旁回和后扣带回与非自我中的空间加工有关[11]。还有研究发现这些结构与物体位置的空间记忆有关[24，25]或者会产生想象性的空间表征[26]。我们认为在推理任务中，这个区域与空间关系的表征和维持有关。在本研究中，推理任务与基线任务相比三术语的维持需要更多的认知资源。与此相同，传递性推理任务中，扣带后回的激活反应了维持和验证三术语之间关系的心理表象的认知需求。
根据本研究的结果可以看出，传递性推理的加工是有阶段性质的：第一阶段，是对命题早期的视觉上的加工；第二阶段，是对命题信息的空间表征，并进行信息的整合形成一个“最大”和“最小”的心理表征，并保留在工作记忆中；第三阶段，是问题出现以后，对信息的提取与验证。该研究结果一定程度上支持了心理模型理论。心理模型理论认为推理过程就是对心理模型的表征和操作，因此它是一个受语义约束的视觉空间搜索过程。以往研究确实发现推理中与视觉空间表征相关的脑区受到了激活[9，10]根据该理论，推理分为三个阶段：前提心理模型的建构和表征，对模型的操纵得出初步结论，最后进一步建构内隐心理模型并对结论进行证。这在Knauff等人的研究中也得到了支持，他们进一步指出视觉表征参与的是早期的命题加工，随着推理过程的进行，更抽象的空间表征开始起主要作用[12]。本研究发现，从推理策略上看，被试主要采用从左到右或者从上到下的策略对不同的任务进行从大到小或者从小到大的排序，从脑机制的结果看，传递性推理加工的三阶段加工比较明显，并且左右半球都有激活。因此，本研究认为传递性推理是根据视觉的空间表征对信息进行加工的，研究结论与心理模型理论基本一致。
将ERP技术应用于推理研究在国内外可能都是第一次尝试，因此本研究不可避免地存在一些问题。首先，尽管实验任务要求被试在事实（小前提）出现以后，立即推测相应的结论，但也很难保证被试的认知加工速度完全相同。其次对于本研究所得到的结论，由于缺乏相关的文献参考，所做的讨论也就显得较为单薄。因此在以后的研究中，有必要将ERP技术应用于其他的演绎推理任务，如三段论推理、三项式推理等，深入探讨不同推测过程的ERP成分，不断揭示人类推理的认知神经机制。此外，在实验中，三种推理条件下，要求被试做出反应时，需要按三个键；而基线条件，被试只需按两个键，这种按键多少上的差别，可能会对正确率和反应时产生影响，因此在后续的研究中，应该进行相应的控制，推理任务也设置成两个按键反应，只出现最大和最小的选择项。
5 结论
本研究主要发现：三种推理任务之间所诱发的波形基本一致，而推理任务与基线任务之间的ERP波形存在明显的差异。传递性推理的加工是有阶段性质的：第一阶段，是对命题早期的视觉上的加工；第二阶段，是对命题信息的空间表征，并进行信息的整合形成一个“最大”和“最小”的心理表征，并保留在工作记忆中；第三阶段，是问题出现以后，对信息的提取与验证。研究结果进一步支持了心理模型理论。