自主动作对目标觉察速度与辨别能力的影响

王碧野，周成林，郭 玮

自主动作（voluntary action），是指具有明确目的性的动作，它是人类生存与生活的基础[1-3]，也是体育活动的基础成分[4]，每个自主动作都对应着一个特定的效果[1-2]，如按下按钮后灯亮，灯亮了就是这个自主动作的对应效果。与之相对的概念是非自主动作（involuntary action），其不具有目的性，动作的执行不会产生特定的效果，甚至自己都意识不到曾做过该动作。个体通过执行自主动作产生特定的效果与环境进行交互，这些效果通过感知系统被个体觉察[5]。因此，有学者推测，自主动作对感知加工可能存在一定影响。S.O.ALIU 等[6-9]证明了这种影响的存在，并将其称为自主动作引起的感知衰减，其表现为个体对自主动作对应的效果感知发生衰减，这种衰减具有特异性，不是普遍的衰减，只针对自主动作的效果发生衰减。从进化的角度考虑，如果个体具有某种特性，它应该是对个体生存具有积极的意义，但自主动作可以导致感知衰减，其对于人类有何种意义尚不明确。

为了探索其积极作用，应该首先从其机制中进行探寻。在自主动作引起感知衰减的机制中，预激活（pre-activation）假说被最广泛地接受，其最初由学者基于fMRI的研究结果提出[10-11]，它对自主动作引起感知衰减的成因进行推测，其主要观点为：自主动作的神经产生指令的同时，一个预测动作效果的传出副本（efference copy）也会生成，比较器（comparator）会将预期效果和实际情况对比，以保障自主动作的顺利执行[7，12]。传出副本会导致相关感知系统的预先激活（见图1），感知系统的预激活意味着相应的神经活动增强。若将个体对效果的探测加工视为信号检测过程[13-14]，神经的自发活动就是该加工过程的噪音，这种预先增强的神经活动就可以被视为噪音的增大。增大的噪音会最终导致感知衰减[15]。

图1 预激活假说示意图Figur1 Sketch Map of Pre-activation Hypothesis

根据预激活假说[10-11]，如果个体执行的动作和效果没有关系，即在非自主动作条件下进行动作，此时对效果的感知不会有额外影响，个体内部表征达到反应标准，即探测到效果出现，其所需时间为t1；如果个体执行的动作和效果是对应的，即在自主动作条件下执行动作，此时个体对效果的感知发生预激活，探测到效果出现的时间为t2，t2 将会小于t1（见图2）。据此，可以推出本研究第1 个假设：自主动作可以提升对目标觉察的速度。

图2 自主动作加速对目标觉察的示意图Figure 2 Sketch Map of Target Detection Speed Acceleration by Voluntary Action

上述情形中，只存在一组自主动作和效果的对应关系，个体进行探测加工。当存在2 组以上的对应关系，个体需要进行辨别加工，此时自主动作会对辨别加工产生的影响尚不明确。根据信号检测论的两维模型[13]，辨别任务依靠2 组神经群之间的竞争，结合预激活假说，当自主动作执行时，其效果对应的神经群得到预激活。假设S1、S2分别代表个体对2个效果的特异性表征，d1 代表无预激活情况下两者的“感知距离”，如一个效果（S2）发生预激活，则“感知距离”由d1变为d2，即预激活导致两者之间的“感知距离”增大（见图3）。据此，提出本研究的第2个假设：自主动作可以提升对不同效果的辨别能力。近年来，在研究自主动作对感知影响的研究中，研究者普遍达成需要排除预判因素潜在影响的共识，通常在研究中增加一般线索提示条件作为控制条件[9]。本研究将借鉴此设置对预判可能产生的影响进行控制。

图3 自主动作中的辨别任务的两维模型[13]Figure3 Two Dimensions Model of Discrimination Task in Voluntary Action

综上，本研究基于预激活假说与信号检测论，通过行为学实验，对自主动作如何影响感知加工进行探索。研究总假设：自主动作可以加快对动作效果的探测速度；自主动作可以提高个体对不同动作效果的辨别力。

1 实验1：自主动作对目标探测速度的影响

1.1 研究目的

本实验基于预激活假说和信号检测论，通过单因素组内设计，对自主动作可以加速个体对效果探测速度的假设进行验证。

1.2 研究对象与方法

1.2.1 被 试 本实验共招募20 名被试，其中男生9 人，女生11 人，年龄为（20.4±1.3）岁。所有被试均为上海体育学院运动人体专业本科生（无任何运动训练经验），没有参加过任何相关实验，视力或者矫正视力正常，未报告有神经系统疾病或精神疾病，右利手。禁止被试在实验前24 h摄入咖啡因或酒精。在实验结束后，为被试提供适当现金报酬。

1.2.2 实验材料 本实验的主要刺激材料为一组由100个灰色圆点构成的随机动点（random dot kinematogram，RDK），其物理参数设定同前人研究[9]一致，动点的颜色为RGB[100，100，100]，半径为2个像素。RDK会随机分布在屏幕中心直径200像素的圆形区域内，其中有固定比例为P的动点向上运动，其余动点运动方向由程序随机生成。所有动点一旦开始运动，该试次中方向不再变化，动点速度为50 像素/s，运动持续100 ms。P值越接近1，则向上运动的点越多；P值越接近0，则运动方向完全随机的点越多。P值由被试各自通过参数评定测试确定。在参数评定测试中，被试需要对当前RDK当中是否存在运动方向一致向上动点做出判断，通过按键进行结果报告，“m”键代表存在，“n”键代表不存在。P值越小，判断难度越大。为了避免可能出现的天花板或地板效应，将每个被试的正确率控制在70%～80%。参数评定程序以每20试次计为1个单元，计算1次正确率，若小于70，则增大P值；若大于80，则减小P值；其余情况P值不变。P值每次调整0.05，直至被试在3个计算单元内P值都不需要调整，结束程序并输出当时的P值，用以后续测试参数设置。最终，被试P值最小为0.4，最大为0.65，均数为0.56，标准差为0.059。

1.2.3 实验任务 实验1的任务包含2个部分：（1）自主动作部分用以探索自主动作是否可以加速对目标探测速度；（2）非自主动作部分用以探索单纯的线索提示下对目标的探测速度。以上每个部分当中，都各自包含1个学习阶段和1个测试阶段，整体流程见图4。

图4 实验1流程图Figure4 Procedure of Experiment 1

在自主动作部分，学习阶段用以帮助被试掌握一个自主动作机器对应的效果。实验进行单盲控制，被试不知道学习阶段的真正目的，而是被告知需要学习对1 s 时间长度判断进行学习，而实际上本阶段是进行自主动作和效果对应关系的学习。具体而言，每个试次以1 个呈现在屏幕中心的黑色圆点作为开始信号，被试觉得从开始信号开始，时长恰好为1 s的时候，用左手食指立即按下“x”键进行报告。在按键报告50 ms 后，1 组RDK 出现在屏幕规定区域内，其中90%的动点一致向上运动。为了让被试更加确信自己是在学习对时长的估计，被试的按键与1 s的误差要小于200 ms，否则该试次视为无效，一旦判断为无效试次后，测试程序再添加1个学习试次。

测试阶段同学习阶段类似，每个试次以1 个屏幕中心出现的黑色圆点开始，被试需要在0.5～2 s内按“x”键报告估计的1 s的时长，超出该时间范围标记为无效试次。一旦判定为无效试次，测试程序会增加1 个新的试次，以保证每个block 内完成40个有效试次。RDK在被试按键50 ms后出现，被试需要判断其中是否存在运动方向一致的1 组动点。如果存在，需用右手食指快速按下“n”键，如果不存在则无需按键。

非自主动作部分也包含学习和测试阶段。被试在学习阶段掌握线索提示和RDK 一致运动的对应关系。每个试次开始于1个黑色圆点，RDK在随机0.8～1.2 s出现，其中90%动点运动方向一致向上。在测试阶段，RDK出现在黑色圆点呈现的0.8～1.2 s 内，被试要通过右手食指按“n”键报告其中是否存在运动方向一致向上的1组动点。一致向上运动的动点的比例P由实验前的参数评定测试确定。

1.2.4 实验设备与流程 本实验中的视觉刺激呈现由1台分辨率为1 920×1 080的23寸AOC显示器完成，其刷新率为144 Hz，响应时小于1 ms，显卡为AMD 公司的RX470。实验程序的实现和数据采集通过运行于Matlab（2016b）平台上的Psychtoolbox 3.0工具箱完成。

所有被试均在各自约定的时间准时参加实验。被试自行阅读知情同意书后，充分了解实验内容并签字确认。随后，主试对必要内容进行口头讲解，被试需要按照要求进行实验。实验过程中，被试端坐于显示器前，眼睛与显示器中心平行，距离显示器1.2 m。在测试阶段，主试通过指导语强调按键速度要尽可能快。

为了确保被试在学习过程中可以将注意力保持在RDK上，学习程序中设置了少量特殊试次，平均20个试次中出现1次特殊试次。在特殊试次中，RDK中的全部动点将变成红色，被试必须在变红的400 ms内按空格键，否则程序将自动增加1个特殊试次和额外10个普通试次。2个部分的学习阶段均有3个block，每个block中包含40个普通试次和相应的特殊试次。在每个部分的学习阶段完成后，随即开始相应的测试阶段，测试阶段由2 个block组成。整个实验约持续30 min。为了减少疲劳对实验的潜在影响，被试在每个block之间可以选择进行适当休息。

1.2.5 数据的采集与分析 行为学数据通过运行于matlab 平台的Psychtoolbox 3.0 工具箱完成。主试编写的实验程序在每个被试完成测试后，自动剔除反应时中的极端值（3个标准差以外），并将该试次剔除正确率分析，随后输出校正后的数据。采用相关样本的T检验对数据进行统计分析。

1.3 结 果

本实验采用单因素组内设计，自变量为自主动作是否存在，共分为自主动作和非自主动作2 个水平。被试在自主动作条件下，反应时为（406.2±59.3）ms，在非自主动作条件下为（435.6±59.5）ms，差异显著（t=-2.536，P＜0.05，Cohen'sd=0.49）。被试在自主动作和非自主动作条件下正确率分别为0.83±0.07和0.82±0.07，均符合正态分布，两者差异不显著（t=0.058，P=0.954）（见图5）。

图5 2种条件下被试的反应时和正确率Figure5 The Reaction Time and Accuracy of Participants in Two Conditions

1.4 小 结

由以上结果可以知，当存在一个自主动作及其对应的效果时，执行自主动作可以加速对效果的觉察速度。

2 实验2：自主动作对不同效果辨别力的影响

2.1 研究目的

基于辨别任务的两维模型与信号检测论[13-14]，可以得到如下假设：自主动作可以提升个体对不同动作效果的辨别力，一般的线索提示不具有该效果。

2.2 研究对象与方法

2.2.1 被 试 同实验1。实验1的被试在实验1完成后，同主试约定时间进行实验2，该时间至少在参与实验1 24 h后。所有参加实验1的被试均参加了实验2。

2.2.2 实验材料 实验材料与实验1相同。

2.2.3 实验设计 本实验包含2个部分：（1）自主动作部分采用单因素组内设计，自变量为自主动作和效果的一致性（一致、不一致），因变量为被试的辨别力d'、反应标准c、反应准确率和反应时；（2）线索提示部分同样采用单因素组内设计，自变量为线索提示的有效性（有效、无效），因变量同样为辨别力d'、反应标准c、反应准确率和反应时。

2.2.4 实验任务 本实验任务分为自主动作部分和线索提示部分，每个部分各自包含学习阶段和测试阶段，2 个部分分别进行。

在自主动作部分，学习阶段用以帮助被试掌握自主动作和效果的对应关系。该阶段依然采用类似实验1 中的单盲控制，被试将左手的中指与食指分别放在“x”和“z”键上，进行估计1 s时长的任务，随意选择按键进行报告，2 种按键的数量要接近。按键后会出现2种可能效果：RDK中90%的动点向上或向下。2种效果分别对应2 个按键动作，对应关系在所有被试间平衡。有效按键的时间范围与实验1相同。

自主动作部分的测试阶段类似于实验1 的测试阶段，不同之处在于：（1）被试自主动作按键有2 个，分别对应2 个效果；（2）按键后的效果与学习阶段掌握的对应效果仅在50%试次中一致，另外50%试次中不一致；（3）被试需要判断一致运动方向是向上还是向下。被试通过右手食指和中指按“n”和“m”键进行报告。按键与答案的对应关系在被试间进行平衡匹配，防止产生额外的干扰。自主动作部流程见图6。

图6 实验2自主动作部分流程图Figure6 Procedure of Voluntary Action Condition in Experiment 2

在线索提示部分，同样包括学习阶段和测试阶段（见图7）。学习阶段通过红色或蓝色圆点来“触发”RDK出现，被试不要按键，除此以外均和自主动作部分一致；在测试阶段，被试同样不需要按键触发RDK，只需判断动点一致运动的方向是向上还是向下。其他设置均与自主动作部分相同。

图7 实验2线索提示部分流程图Figure7 Procedure of Cue Condition in Experiment 2

2.2.5 实验设备与流程 实验设备同实验1。在自主动作部分，每10 个试次，主试会提示其2 个按键的数量，以帮助其控制整体按键数量接近。为了保证对效果的注意，本部分同样设置了特殊试次，其设置与惩罚手段均与实验1 相同。被试需要完成3 个block 的学习，每个block 需要包含40 个有效试次。被试在2 个部分之间可以进行充分休息，在每个block 之间可以进行适当休息。所有被试均先完成自主动动作部分，随后进行线索提示部分。被试共需约1 h 完成实验2 全部内容。

2.2.6 数据的采集与分析 本实验数据采集平台同实验1。考虑到对2 个信号进行辨别，辨别力d'不再是对信号和噪音的辨别能力，而是对2 个信号的分辨能力，为了方便计算，将其中向上定义为“信号”，向下则定义为“噪音”。计算如下：辨别力d'=Z击中-Z虚惊，反应标准其中Z1为低强度刺激时的正确拒斥概率的Z值。被试击中率为100%的情况下，将击中率修正为其中N为最大可能虚惊数[16]，以保证Z击中可以计算。本实验分成2 个部分，对被试的正确率、反应时、反应标准c和辨别力d'4 个因变量分别进行相关样本的T检验。

2.3 结 果

2.3.1 自主动作部分 本实验中，被试需要在2 种条件下对自主动作的效果进行辨别，一种为自主动作和效果一致的条件，另一种是不一致的条件。在2 种条件下，被试辨别力d'差异显著（t=2.30，P＜0.05，Cohen'sd=0.33），反应标准c 差异不显著（t=-1.07，P=0.3），反应的正确率差异显著（t=2.28，P＜0.05，Cohen'sd=0.36），反应时差异不显著（t=-0.81，P=0.43）（见表1）。因此，被试对自主动作对应效果的辨别能力更强。

表1 被试反应结果表（M±SD）Table1 Main characteristics of the participants’reaction.

2.3.2 线索提示部分 本测试阶段中，刺激和线索提示的对应关系可能同学习阶段的对应法则一致，也可能不一致。对2 种情况下的行为结果（见表2）进行T检验发现：在信号检测论指标上，被试在2 种条件下的辨别力d'差异不显著（t=0.21，P=0.837），反应标准c差异也不显著（t=1.544，P=0.14），被试反应的正确率差异不显著（t=0.36，P=0.72），反应时差异也不显著（t=-0.523，P=0.61）。

表2 被试反应结果表（M±SD）Table2 Main characteristics of the participants’reaction.

2.4 小 结

由以上结果可知，自主动作可以增强对不同效果的辨别能力，单独进行预判加工无法产生该效益。

3 讨 论

3.1 自主动作加速对动作效果的觉察速度

已有研究证明了自主动作可以引起感知衰减，这些衰减现象在众多感知觉加工上都已经得到证实[7-9，17-22]。但是，从生物进化的角度考虑，这些衰减应该具有一定的积极意义。根据预激活假说，自主动作可以引起动作效果表征的预先激活，这些激活一方面导致了感知衰减的发生；另一方面，结合信号检测论，预激活可以缩短内部表征强度从基线上升到反应标准所需的时间，从而导致加速对刺激的探测过程。

实验1的结果证实了上述的推测。在执行自主动作的条件下，被试的反应时更短，说明其对目标探测的速度获得了提升。在使用类似任务的研究中，通常都结合信号检测论对结果进行分析[9，23-26]。信号检测论最常见的指标为辨别力d'和反应标准c，但是实验1 的结果分析没有使用这些指标，并非因为这些指标无法获取，而是这些指标对于本实验的意义有限，且可能存在一定的误导。辨别力d'和反应标准c代表个体对信号与噪音的辨别能力和反应的标准，计算需要依靠个体在实验中的行为数据。在实验1中，主试对反应速度进行着重强调，被试在过度重视反应速度的情况下，“虚惊”（false alarm）必然会增多。但这种增多的“虚惊”反应并不是由于对信号发生了错误的觉察而产生的，而是更有可能在强调速度的情况下，无法对动作进行有效的抑制所产生。这种虚假的虚惊，类似于研究抑制功能的Go/Nogo任务中无法停止动作时的错误反应[27-28]。因此，实验1的结果统计与分析舍弃了以上2个指标。前人的研究中没能发现类似的加速效应[9，15]。其可能的原因在于实验1 中强调速度的设定，前人研究中没有强调反应速度，加之速度指标的敏感性不够，不足以体现自主动作动对探测速度的影响。

3.2 自主动作提高对不同效果的辨别力

实验2发现了自主动作可以提高对不同效果的辨别力。这可能是自主动作引起感知衰减的积极意义之一。实验2的结果容易让人觉得与前人的研究存在矛盾。前人研究发现，自主动作导致辨别力d'降低[9，15]，这也是自主动作可以引起感知衰减的重要数据支撑，而在实验2 中，辨别力d'是升高的。实际上，以上矛盾并不存在。首先，实验2中的辨别力d'是指对2个效果进行辨别的能力，而自主动作引起感知衰减研究中的d'是指从噪音中辨别信号的能力，虽然同表述为d'，但本质截然不同；其次，实验2中被试进行辨别任务，而前人研究中进行的是探测任务，两者任务完全不同；最后，基于辨别加工的两维模型，辨别加工可以视为2 组神经群之间的竞争，而前人研究中的探测加工是一组神经群的激活[13-14]，两者加工过程不同。通俗来讲，前人研究发现执行一个动作的时候，对这个动作效果的感知发生衰减[9]，而实验2 证明当有2 个自主动作和2 个对应效果存在的情况下，对两者的辨别能力会提高，2种结论之间不存在矛盾。

自主动作在执行过程中，必然伴随对效果的预判[29-31]，因此难以将自主动作的效应和预判的效应进行有效分离。前人的研究设置一般线索条件的控制实验，用以排除预判的干扰[9]。实验2参考了这一设置，增加了线索提示部分，该部分结果发现预判有效性无法单独对2 类效果的辨别力d'造成影响，从而进一步确认实验2中导致辨别力d'提升的原因是自主动作的准备或执行，而非基于提示的预判加工。

为了探索自主动作对目标觉察速度及对不同效果的辨别能力的影响，本研究设计并实施了2 个实验，证明了研究假设。但研究中仍存在以下问题：（1）受限于实验时长的影响，研究的被试数量较小，仅达到可以满足统计功效的最低需求；（2）研究任务较为复杂，学习阶段耗时较长；（3）实验2 的被试与实验1相同，理论上可能存在学习效应的干扰；（4）研究关注对物体运动一致性的判断，未能探索对更多感知加工的影响。综上，后续研究应该考虑增加样本量、改良实验任务，并将研究焦点拓展到更多感知加工。

4 结 论

（1）自主动作可以加速个体对效果的觉察速度。（2）自主动作可以增强对不同效果的辨别能力，单独预判加工无法产生该效益。