整体运动知觉老化的方向不同步性及其总效应 *

梁紫平 单金磊 王鹏鹏 韩宗义 金 花

(1 教育部人文社会科学重点研究基地天津师范大学心理与行为研究院，天津 300387) (2 天津师范大学心理学部，天津 300387) (3 学生心理发展与学习天津市高校社会科学实验室，天津 300387) (4 天津工业大学电气与电子工程学院，天津 300387)

1 引言

人们生活在一个不断变化的动态环境中，对物体运动的准确知觉直接影响到个体的生活质量。知觉运动物体时，个体要对视觉场景中的局部运动元素的单个轨迹按照一定的规则进行选择性整合进而形成全局性的运动知觉，即整体运动知觉（global motion perception, GMP）（Cai, Chen,Zhou, Thompson, & Fang, 2014）。GMP 是视知觉的重要组成部分，其下降还可能反映并预示了老年个体认知能力（Li, Guo, Wang, & Chen, 2017）等的下降。

健康成人的GMP 会出现随年龄增长而发生老化现象（综述见Billino & Pilz, 2019； Hutchinson,Arena, Allen, & Ledgeway, 2012； Owsley, 2011），且这种老化不受视网膜照度（Willis & Anderson,2000）和视觉系统基因变异（Kunchulia, Kotaria,Pilz, Kotorashvili, & Herzog, 2019）的影响。如Trick 和Silverman（1991）发现被试在整体运动方向辨别任务中的运动一致性阈值（以下简称“阈值”）随年龄线性增长。Billino，Bremmer 和Gegenfurtner（2008）发现老年人左右平动和径向整体运动敏感性（global motion sensitivity, GMS）显著差于青年人。Bogfjellmo，Bex 和Falkenberg（2013）发现老年人旋转GMS 显著低于青年人。Willis 和Anderson（2000）发现老年人GMS 显著低于青年人，且老年青光眼患者和年龄匹配组的GMS 之间没有显著差异。Kunchulia等（2019）发现老年人水平GMS 显著低于青年人，且与广泛分布在初级视皮层和视网膜上的胆碱能烟碱受体的alpha7 亚基的基因变异无关。

更重要的是，不同运动方向GMP 的变化可能存在不同步性。Hutchinson 和Stocks（2013）采用平动、旋转和径向的随机点阵运动范式发现，动作视频游戏玩家（VGPs）径向运动阈值显著低于非动作视频游戏玩家（NVGPs），但两者在平动和旋转运动任务中的表现相当；且VGPs 的运动知觉优势主要表现在收缩方向，提示不同方向的GMP 可能存在不同步的变化规律。在老化研究中，Pilz，Miller 和Agnew（2017）以及Shain 和Norman（2018）均发现老年被试水平向右的GMP 老化更为明显。然而，迄今还没有研究直接系统考察同一运动形式下不同方向GMP 的老化是否同步。

此外，实验内微型元分析（internal mini metaanalysis）技术已被广泛应用于整合同一篇文献中的系列研究的效应量（Goh, Hall, & Rosenthal, 2016；Ueno, Fastrich, & Murayama, 2016）。该技术利用相应公式通过对实验内统计指标的再次统计分析获得两个变量间真实的相关关系，提高研究结果的可靠性和可重复性（Braver, Thoemmes, & Rosenthal,2014），从而发现只有累积而不是单一研究才能发现的效果（Rule et al., 2015），为矛盾性研究结果提供支持（Lai et al., 2016）。而已有GMP 老化的研究仅考察单一或部分运动形式（Bogfjellmo et al.,2013； Gilmore, Wenk, Naylor, & Stuve, 1992； Roudaia,Bennett, Sekuler, & Pilz, 2010； Snowden & Kavanagh,2006）。因此，在同一研究中使用以上四种运动形式的GMP 方向判断任务，并使用实验内微型元分析技术对不同形式下GMP 的结果进行整合，既可以系统地考察不同运动形式下GMP 的老化效应，又可以更加直观地反映GMP 和年龄之间的总效应。

在此，本研究拟通过两个子研究探讨GMP 老化的方向不同步性（研究1）和总效应（研究2）。研究1 采用经典的随机点阵运动方向判断任务，包含4 个2×2 两因素混合设计的子实验。其中，组别为被试间变量，分青年组和老年组；运动方向为被试内变量：水平任务下为向左和向右，垂直任务下为向上和向下，旋转任务下为顺时针和逆时针，径向任务下为收缩和外扩。因变量为阈值，即被试判断点阵整体运动方向所需的最少信号点占总点数的比值（Newsome & Paré,1988）。阈值越高，说明个体在该任务中的行为表现越差，GMS 越低。如果组别主效应显著，老年组的阈值显著高于青年组，说明老年人的GMS 低于青年人，GMP 存在老化效应。如果组别和运动方向之间的交互作用显著，老年组在某一方向的阈值与青年组存在显著差异；或两个方向差异均显著，但是显著性不同，说明GMP 老化存在方向不同步性。研究2 使用实验内微型元分析技术，将四种运动形式共八个方向的阈值进行整合。如果阈值之差的总效应量大于0，说明两组被试的阈值之间差异显著，老年人的GMP 存在普遍性衰退。根据前人关于GMP 老化的研究结果（Billino &Pilz, 2019），本研究提出以下预期：（1）老年组四种运动形式下的阈值显著高于青年组，存在GMP 老化；（2）老年组四种运动形式中两两对立方向的阈值老化性升高程度不同，GMP 老化存在方向不同步性。

2 研究1：GMP 老化的方向不同步性

2.1 研究方法

2.1.1 实验仪器和刺激材料

整体运动方向判断任务采用随机运动点阵范式（Newsome & Paré, 1988），见图1。刺激通过基于MATLAB 软件（https://www.mathworks.com/）的PsychToolbox（Brainard, 1997）呈现。屏幕刷新率60 Hz，分辨率1920×1080 像素。点阵呈现在黑色屏幕中央一个直径为12 cm 的白色圆形孔径中，视角11.42°，视距60 cm。点阵内共有100 个白色圆点（密度：0.88 点/cm2，大小：2 像素），所有点的运动速度均为5°/s，每个点持续50 ms，当点的生命时长耗尽或移出圆形孔径后，会重新出现在圆孔中的任意位置，并保持原来的运动方向。点阵中的一部分点作为信号点运动方向一致，其余点作为噪音点运动方向随机。水平运动条件下，信号点向左或向右运动；垂直运动条件下，信号点向上或向下运动；旋转运动条件下，信号点沿顺时针或逆时针方向运动；径向运动条件下，信号点做收缩或外扩运动。实验通过控制信号点占总点数的比例来操纵刺激的运动一致性水平，两种对立方向的运动随机出现且概率均等。

图 1 随机运动点阵刺激

2.1.2 实验程序和任务

实验在安静的房间中进行，程序启动后会在屏幕中央呈现红色注视点提醒被试开始实验，然后依次呈现点阵和白色圆点（被试反应200 ms 后消失），实验流程参考金花等（2020）。要求被试在点阵出现后，通过按键尽可能准确（不要求尽快）地指出点阵的整体运动方向，并在不能确定时根据猜测做出判断。

每种运动方向判断任务均包括6 个session，第1 个session 作为练习不进入最后分析。采用“3 下1 上”的自适应阶梯操纵刺激的运动一致性水平（连续3 次反应正确，一致性下降一个步长），每个方向均完成8 次反转。点阵的起始一致性水平是100%，前2 次反转步长为10%，后6 次为5%。分别计算两种对立运动方向下后6 次反转的转折点处一致性水平的平均值作为个体该方向下的阈值（Allen, Hutchinson, Ledgeway, & Gayle, 2010；Hutchinson, Ledgeway, & Allen, 2014）。

2.1.3 数据处理

分别以各组均值的正负3 个标准差为上下限进行极端数据剔除，无极端数据。使用I B M SPSS21.0 软件进行数据处理。

2.2 实验1a：水平GMP 的老化

2.2.1 被试

参考本主题文献的被试量（Bower & Andersen,2012； Shain & Norman, 2018），招募23 名青年人和18 名老年人为被试。实验前使用FrACT3.9.8 软件（Freiburg visual acuity test, michaelbach.de/fract/）（Bach, 1996）中的Acuity E 和Contrast C 测试分别剔除视力或矫正视力小于0.8、对比视敏度小于1.35 的个体。使用简易精神状态量表（MMSE）评估老年被试的认知状态，剔除得分小于24 分的个体（Porter et al., 2017）。实验中，由于操作失误或MMSE 得分小于24 剔除两名老年人。最后有效被试：23 名青年人（10 男，平均年龄21.37±1.63 岁）和16 名老年人（4 男，平均年龄66.23±2.84 岁；MMSE 平均27.44±2.03 分）。

有效被试视力或矫正视力正常，无弱视、白内障等视觉疾病；无认知障碍或各种原因所致的智能障碍；无精神分裂症等精神疾病。所有被试有偿参加实验，并在实验前签订知情同意书。

2.2.2 结果

阈值描述性结果见图2 和表1。两因素重复测量方差分析发现，组别主效应显著，F(1, 37)=22.75，p＜0.001，=0.38，老年组的阈值显著高于青年组；运动方向主效应不显著，F(1, 37)=1.26，p=0.268；两者之间的交互作用显著，F(1, 37)=4.94，p=0.033，=0.12。简单效应分析发现，老年组向右方向的阈值显著高于向左（p=0.036），青年组的阈值不存在方向性差异（p=0.397）。同时，水平向左（p=0.001）和向右（p＜0.001）条件下，老年组的阈值均显著高于青年组。结果表明老年人的水平GMS 下降，且向右方向更为严重。

图 2 两组被试左右阈值的差异

表 1 老年组和青年组的平均值差异及元分析结果（%）

2.3 实验1b：垂直GMP 的老化

2.3.1 被试

招募22 名青年被试和18 名老年被试，老年被试中1 人中途退出，2 人MMSE 得分小于24 分被剔除，其余筛选条件同实验1a。最后有效被试：22 名青年人（11 男，平均年龄21.63±1.61 岁）和15 名老年人（5 男，平均年龄66.30±3.45 岁；MMSE 平均28.13±1.46 分）。

2.3.2 结果

阈值描述性结果见图3和表1。两因素重复测量方差分析发现，组别主效应显著，F(1, 35)=13.63，p=0.001，=0.28，老年组的阈值显著高于青年组；运动方向主效应显著，F(1, 35)=11.51，p=0.002，=0.25，向上方向的阈值显著低于向下；两者之间的交互作用显著，F(1, 35)=4.41，p=0.043，=0.11。简单效应分析发现，老年组向下方向的阈值显著高于向上（p=0.001），青年组的阈值无方向性差异（p=0.316）。同时，垂直向下条件下老年组阈值显著高于青年组（p＜0.001），垂直向上条件下两组的阈值之间差异不显著（p=0.056）。结果表明老年组的垂直GMS 存在衰退，且向下方向更为严重。

图 3 两组被试上下阈值的差异

2.4 实验1c：旋转GMP 的老化

2.4.1 被试

招募23 名青年被试和18 名老年被试，2 名老年人MMSE 得分小于24 分被剔除，其余筛选条件同实验1a。最后有效被试：23 名青年人（13 男，平均年龄21.16±1.87 岁）和16 名老年人（7 男，平均年龄66.09±2.80 岁；MMSE 平均27.88±1.89 分）。

2.4.2 结果

阈值描述性结果见图4 和表1。两因素重复测量方差分析发现，组别主效应显著，F(1, 37)=4.50，p=0.041，=0.11，老年组的阈值显著高于青年组；运动方向主效应不显著，F(1, 37)=0.76，p=0.390；两者之间的交互作用显著，F(1, 37)=5.38，p=0.026，=0.13。简单效应分析发现，老年组顺时针方向的阈值显著高于逆时针方向（p=0.045），青年组的阈值不存在方向性差异（p=0.265）。同时，顺时针条件下老年组阈值显著高于青年组（p=0.007）；逆时针条件下两组的阈值不存在显著差异（p=0.310）。结果表明老年组旋转GMS 存在衰退，且顺时针方向更为严重。

图 4 两组被试旋转阈值的差异

2.5 实验1d：径向GMP 的老化

2.5.1 被试

招募23 名青年被试和18 名老年被试，1 名青年和1 名老年被试矫正视力小于0.8，2 名老年被试MMSE 得分小于24 分被剔除，其余筛选条件同实验1a。最后有效被试：22 名青年人（8 男，平均年龄22.20±2.26 岁）和15 名老年人（6 男，平均年龄64.95±4.03 岁；MMSE 平均28.33±1.72 分）。

2.5.2 结果

阈值描述性结果见图5 和表1。两因素重复测量方差分析发现，组别主效应显著，F(1, 35)=4.22，p=0.047，=0.11，老年组的阈值显著高于青年组；运动方向主效应不显著，F(1, 35)=3.88，p=0.057；两者之间的交互作用显著，F(1, 35)=4.72，p=0.037，=0.12。简单效应分析发现，老年组外扩方向的阈值显著高于收缩方向（p=0.011），青年组的阈值不存在方向性差异（p=0.875）。同时，外扩条件下老年组阈值显著高于青年组（p=0.012），收缩条件下两组的阈值不存在显著差异（p=0.663）。结果表明老年组的径向GMS 存在衰退，且外扩方向更为严重。

3 研究2：GMP 老化的微型元分析

考虑到研究中可能存在的误差变异，以及点阵运动形式和运动方向等刺激属性的影响，研究2使用实验内元分析技术扩大样本量，将研究1 四个子实验中不同运动形式不同方向的阈值进行整合以提高统计效力，对GMP 老化的总效应进行更准确的估计（Goh et al., 2016； Ueno et al., 2016）。

图 5 两组被试径向阈值的差异

3.1 数据处理和软件

实验内微型元分析技术适合在收集了1 个以上相关研究数据的情况下使用（Case, Conlon, &Maner, 2015； Lim & DeSteno, 2016），研究1 共收集了4 个实验的数据。此外，分别对4 个子实验中青年组和老年组的年龄差异进行比较，结果显示4 组青年人之间[F(3, 86)=1.29,p=0.283]和4 组老年人之间[F(3, 58)=0.57,p=0.636]均不存在显著的年龄差异；对4 组老年人的MMSE 得分进行单因素方差分析未发现显著差异，F(3, 58)=0.72，p=0.542，表明4 个子实验中被试的同质性很高，符合实验内微型元分析技术的要求。采用Cumming（2012）发布的Exploratory Software for Confidence Interval（ESCI）软件对数据的平均值之间的差异（Md）进行元分析。具体分析步骤如下：（1）确定研究问题：GMP 的老化效应；（2）找到可以回答研究问题的最佳效应量ES：青年组和老年组阈值的平均值之差Md；（3）计算所选择的ES 的点估计和置信区间CI[ll, up]，CI 反映了效应量估计的准确程度，其中ll 表示估计效应的下限，up 表示上限；（4）制作包含CI 的图；（5）理解研究中的ES和CI。

3.2 结果

元分析结果显示，老年组与青年组的阈值之差的固定效应量为Md=8.13，95%CI[13.81,22.59]，随机效应量为Md=4.72，95%CI[10.74,26.01]（见图6和表1）。该效应量大于0，且效应量95%的置信区间的最小值也大于0，说明老年组的阈值显著高于青年组，即老年组的GMS 低于青年组，表明老年人的GMP 存在普遍性的衰退。

图 6 老年组与青年组在平均值差异（Md）上的元分析结果

4 讨论

本研究将水平、垂直、旋转和径向运动形式下两种对立方向的阈值进行分离，探究不同方向GMP 老化的不同步性，并使用实验内元分析技术探究GMP 老化的总效应。实验结果表明，无论是针对单一运动形式的独立分析还是忽略具体运动形式的实验内微型元分析，老年组的GMS 均显著低于青年组，支持了GMP 存在老化效应的观点。更重要的是，本研究首次系统地证明了不同方向GMP 的老化存在不同步的变化规律，具体表现为老年人水平向右、垂直向下、顺时针旋转和径向外扩方向的GMP 衰退更为严重，为GMP 老化的理论构建和延缓训练提供了更为丰富的数据支撑和更有针对性的参考线索。

4.1 GMP 老化的方向不同步性

GMP 老化受到刺激运动方向影响的结果与前人基于平动范式得到的结果相符（Pilz et al., 2017；Shain & Norman, 2018）。Pilz 等要求被试判断相继呈现的两个点阵中哪个点阵顺时针偏移了轴向方向，结果发现老年组判断顺时针偏移垂直向上方向运动的准确率与青年组相似，但显著差于偏移水平向右方向运动的判断准确性。Shain 和Norman 以被试指出的方向与实际平动方向之间的平均绝对误差（度）来反映判断的准确性，发现老年组水平向右的和垂直向下的平均绝对误差分别略高于向左和向上方向的，青年组无此类方向间的差异。本研究进一步发现老年人在旋转和径向运动上的GMP 老化的不同步性，为“GMP 的老化可能存在方向不同步性”的观点提供了更为丰富的实验依据。

然而，GMP 这种老化的方向不同步性的机制还有待于进一步探索。从现象上看，水平、垂直、旋转和径向四种运动形式下老年人GMP 老化的方向不同步性存在一个共同特征，即退化更为严重的方向正好是存在加工优势或日常生活中更为频繁出现的运动方向。例如，受阅读和重力的影响，个体对水平向右和垂直向下的运动存在加工优势（De Sá Teixeira, 2016； De Sá Teixeira, Kerzel,Hecht, & Lacquaniti, 2019）。在日常生活中，相对于逆时针方向的运动，人们更为频繁地遇见顺时针方向的运动，如钟表指针行走的方向。径向运动也存在相似的情形：虽然个体遇见靠近（外扩）和远离（收缩）运动的概率可能相近，但从生存需要上考虑，个体更为关注靠近自身的运动物体，如迎面而来的人流或是机动车。但为何优势知觉方向的老化更为严重尚没有很好的科学解释 ，需要更进一步的探究。

4.2 GMP 老化的总效应

总体上，本研究结果支持“GMP 存在老化效应”的观点。已有的文献，无论是连续取样还是横断取样，得到的实验结果都表明GMP 存在老化效应（综述见Billino & Pilz, 2019； Hutchinson et al.,2012； Owsley, 2011）。但除Allen 等（2010）的研究考察垂直、旋转和径向三种运动形式外，多数研究均是基于自己关注的单一运动形式上观察到的结果推断出GMP 存在老化（Bogfjellmo et al.,2013；Bower & Andersen, 2012；Kunchulia et al.,2019），极少有研究同时系统地关注四种整体运动形式的老化，如此，难以得到GMP 老化的总体效应。本研究采用实验内微型元分析技术，将四个实验的结果进行整合，发现老年组与青年组阈值之差的固定效应量和随机效应量均大于0，且效应量95%的置信区间的最小值也大于0，说明老年组的阈值显著高于青年组，老年人GMP 存在衰退。该结果为GMP 老化补充了有力的证据，完善了GMP 存在老化的结论。

已有研究认为，GMP 老化可能与老年人多种认知加工能力的下降和脑结构及功能的退化有关。一种可能是与老年人整合空间、时间信息能力的减弱有关。例如，Roudaia 等（2010）相继呈现两个水平运动点阵，要求被试判断后一点阵运动方向相较于前一点阵是向左还是向右偏移。该实验设置了8 种呈现间隔和7 种空间偏移量，结果发现老年被试对运动信息的整合能力局限在更小的时间间隔和空间范围内。GMP 的老化还可能与老年人注意力的降低有关。在随机点阵整体运动方向的辨别中，个体不仅需要整合跨时空的局部运动信息，还需排除噪声刺激的干扰。而注意力可以提高知觉加工过程中的信噪比（Downing, 1988），但随年龄增长，老年人的注意力存在衰退现象（McDonough,Wood, & Miller, 2019）。另一种可能是老年人GMP加工过程中内部噪声的增加（Bogfjellmo et al., 2013；Bower & Andersen, 2012）或相关脑区功能改变（Biehl, Andersen, Waiter, & Pilz, 2017）导致的。Biehl 等使用fMRI 技术发现老年人在被动地观看镶嵌在噪声中的径向运动点阵时，脑颞叶中部及右额下回的激活显著大于青年人。

本研究发现老年人的GMP 存在方向特异性衰退，为GMP 的老化提供了新的理论依据，但仍存在一定的局限性。如Trick 和Silverman（1991）以25～80 岁个体为对象发现被试阈值随年龄线性增长，Wood 和Bullimore（1995）发现个体阈值每十年约提高17%。但本研究仅选取了两个离散的年龄段，在将来的研究中可以考虑扩大被试年龄范围，以进一步探究GMP 随年龄的老化进程。

5 结论

老年人的GMP 存在跨运动形式的普遍衰退，且水平向右、垂直向下、顺时针旋转和径向外扩方向的老化更为严重。

致谢本研究得到了国家自然科学基金的资助（31971021）。数据的采集和分析过程得到了贾丽娜、刘婷、朱子良、李想、王超、王一凡、张羽萍和张雪的帮助和指导，在此一并致谢；诚挚的感谢也致予参与本研究的所有被试。