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認知神經(jīng)科學(xué)筆記之物體識別

2018-09-27 23:27 作者:暗界之炛  | 我要投稿

當個體對物體顏色、形狀和動作的加工正常,而卻無法給物體命名,稱為“失認癥”。一個曾發(fā)生卒中的個體G.S,在實驗中能夠準確地描述出呈現(xiàn)的鎖的形狀,可卻始終無法說出這是一個“鎖”。由此可見,知覺與識別并不是一回事,知覺是將各種感覺通道的信息整合在一起并進行一些復(fù)雜的加工,而識別可能更多地要將知覺到的信息與記憶中的內(nèi)容相匹配(也就是說,識別會引發(fā)記憶)。

Part 1 視知覺的兩條皮質(zhì)通路

視知覺的兩條皮質(zhì)通路,一條是腹側(cè)(枕顳)通路,負責物體知覺和識別(即“是什么”);另一條是背側(cè)(枕頂)通路,負責判斷物體的空間位置以及分析物體的空間結(jié)構(gòu)(即“哪里”)。

Kohler等人對腹側(cè)和背側(cè)的兩條通路進行進一步的研究:用PET進行研究,每次給被試呈現(xiàn)兩幅圖,在辨析位置的任務(wù)中,要求被試判斷兩幅圖物體的位置是否相同;而在識別物體的任務(wù)中,兩幅圖的物體可能發(fā)生了變化,要求被試判斷兩幅圖物體是否相同(無關(guān)因素,如位置任務(wù)中兩幅圖的物品是否一樣、識別任務(wù)中兩幅圖的物品位置是否一樣,都是隨機的)。實驗后,直接比較兩個任務(wù)的PET數(shù)據(jù),將兩個人物相似反應(yīng)的區(qū)域減去(除開辨別位置和識別物體被激活的區(qū)域,其他如知覺所激活的區(qū)域便被剔除了),留下的圖像顯示:位置任務(wù)中,右半球頂葉局部血流量高,而物體識別任務(wù)中枕葉和顳葉的連接處的雙側(cè)局部腦血流量高。這個結(jié)果再次證實了背側(cè)和腹側(cè)的區(qū)分。

另外,對另一個失認癥個體D.F.的研究發(fā)現(xiàn),背側(cè)和腹側(cè)通路的差異還表現(xiàn)在對識別的知覺和對運動的知覺的差異上。D.F.在知覺三維物體的實驗中,不同任務(wù)有不同的表現(xiàn):任務(wù)一讓D.F.看一個中間切有凹槽的木塊,讓她試著用一張紙匹配凹槽(不是直接放置到凹槽,只是通過眼睛來判斷怎樣擺放紙張會契合到木塊的凹槽);任務(wù)二讓D.F.把卡片直接插入凹槽。結(jié)果發(fā)現(xiàn),任務(wù)一,D.F.表現(xiàn)出無法匹配卡片和凹槽的方向,而在任務(wù)二中,她能夠成功地將紙插入凹槽。不難發(fā)現(xiàn),任務(wù)一是一個外顯任務(wù),即參與者有意識在其中,需要用意識來判斷紙能不能放入凹槽,而任務(wù)二是動作任務(wù),參與者或是無意識地將紙插入凹槽(參與者不用刻意去辨識方向)。而后,結(jié)構(gòu)性MRI成像顯示D.F.的側(cè)枕皮質(zhì)和腹側(cè)通路雙側(cè)受損(側(cè)枕皮質(zhì)是物體和形狀識別的重要區(qū)域),而腹側(cè)通路負責“物體識別”,背側(cè)通路負責“動作視覺”,D.F.的腦損傷只破壞了她的物體識別功能。這個例子恰好說明了“什么”和“哪里”通路是分離的(在這里,“哪里”對于確定不同物體的位置并指導(dǎo)與物體互動不可或缺)。

D.F.癥狀相反的是視覺性共濟失調(diào)癥,這類患者能夠識別物體,但是不能夠運用視覺信息指導(dǎo)運動(如能夠在不行動的情況下將紙張和凹槽匹配,但是讓他真正地去將紙張放入卡槽他卻無法辦到)。

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Part 2? 物體識別理論

知覺具有恒常性,物體識別同樣也具有恒常性(例如,給我們呈現(xiàn)不同視角下的汽車的圖片,我們依然可以將其識別為汽車而不是不同的物體)。然而,感覺信息具有非常大的變異性:感覺信息隨著觀看位置的變化而變化(看的視角變化或物體方向變化,呈現(xiàn)在視網(wǎng)膜上的圖像就會不一樣);物體照度變化影響感覺信息(特別明亮的時候看物體和特別暗的時候看物體,視網(wǎng)膜上的圖像由于對光線敏感的感光細胞不一樣而產(chǎn)生差異);感覺信息往往是整體的(我們很少孤立地看外界,如過馬路時我們很少會只看到斑馬線而看不到在一旁的汽車)。這就意味著,我們對物體的識別需要克服這三個變異。

于是,不同研究者提出了我們識別物體的兩種理論:參照框架理論(視角依賴理論)視角不變理論。

參照框架理論指出,我們識別物時的知覺需要依賴特定的視角,而我們的記憶中貯存著許許多多的特異性表征,我們識別物體的過程實際上就是將知覺到的物體和記憶中存儲的表征相匹配的過程(比如,我們看到桌面上放著的黑色扁平物體,我們將視覺上接收的信息和記憶中的物體表征匹配,最終識別該物體為“筆記本電腦”)。不過有研究者指出,參照框架理論有缺陷:我們?nèi)巳绻蟹浅6嗟挠洃洷碚鳎沁M行物體識別的過程應(yīng)當會非常低效,且不能解釋我們是如何識別我們從未見過的事物的(記憶中未儲存的表征)。

視角不變理論指出,我們識別物體的過程是這樣的:首先,分析感覺信息中事物的基本特征,之后在基本特征分析的基礎(chǔ)上對物體的其他特征進行分析進而通過推理來識別物體(例如,我們之前從未見過筆記本電腦,但通過對這個黑色扁平物體的基本特征進行分析:有鍵盤、屏幕、鼠標,推理出該物體是電腦)。

fMRI的研究里,研究者指出,我們大腦識別物體可能同時兼用了兩種策略:相同視角和不同視角呈現(xiàn)物體(刺激物)時,左側(cè)腹側(cè)枕皮質(zhì)都發(fā)現(xiàn)了重復(fù)抑制效應(yīng)(重復(fù)抑制效應(yīng)指當刺激重復(fù)出現(xiàn)時,第二次呈現(xiàn)時的BOLD反應(yīng)比第一次呈現(xiàn)時的低,即某刺激最近被激活過對該刺激的再次反應(yīng)會更快、更高效),這證實了視角不變理論(即便視角改變,我們依然可以通過基本特征對刺激做出更高效的識別);而右側(cè)腹側(cè)枕皮質(zhì)只有在相同物體呈現(xiàn)的第二次是相同視角的情況下才會出現(xiàn)活動降低,證實了參照框架理論(將看到的物體與記憶中的表征相匹配)。

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再細致一些,對于物體識別的理論還涉及形狀識別。知覺層級理論認為,我們識別物體的過程是層級遞進的,我們首先會加工初級特征,后再加工這些初級特征的關(guān)系。比如,箭頭和三角形都是由三根線組成的,我們首先識別的是線條,之后大腦加工線條之間的關(guān)系(如,三角形是三根線圍成一個封閉區(qū)域)進而識別不同的圖形。

而關(guān)于物體識別的認知神經(jīng)機制,同樣也有兩種假設(shè)。

祖母細胞假設(shè):祖母細胞用于表示一些知識單元只對某人的祖母興奮,后用于形容識別復(fù)雜物體的神經(jīng)元(也叫知識單元,只對已經(jīng)整合好的知覺信息進行反應(yīng))。祖母細胞假設(shè)同樣也有無法解釋人可以識別新異刺激的缺陷,不僅如此,該假設(shè)還無法解釋“當祖母隨著歲月流逝而發(fā)生生理變化”時細胞如何再識別祖母。

集群理論:該理論認為,識別并不是單個單元的作用,而是許多單元的集體激活(如識別祖母時,我們不是對祖母這個整體進行的加工,而是將祖母的不同特征進行分析最后推理出“她是祖母”)。集群理論可以解釋為何我們常常會將相似的物體混淆,相似物體呈現(xiàn)時,我們的多個相同的神經(jīng)元都被激活了;同樣,該理論也能夠解釋我們?nèi)绾巫R別新異刺激:新的物體與熟悉的物體的相似處會激活表征相似特征的單元,從而使我們產(chǎn)生新異物體的知覺。

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Part 3 物體識別困難

當我們能看到東西卻無法說出其名字或功能,便可以稱為“視覺失認癥”(可以通過聽覺或觸覺來辨識物體)。不過需要注意,視覺失認癥并不是感覺能力損傷引起的,比如盲人不能夠?qū)⒁曈X信息與頭腦中貯存的知識相聯(lián)結(jié)是因為盲人缺乏視覺輸入。視覺失認癥是有視覺信息加工(能看到東西)但是卻依然無法識別物體的障礙。

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在現(xiàn)有的文獻中,失認癥多分為兩類:統(tǒng)覺性失認癥和聯(lián)絡(luò)性失認癥。

統(tǒng)覺性失認癥與腹側(cè)通路病變有關(guān),主要表現(xiàn)是物體恒常性被破壞:正常人既可以在常見視角辨認出物體,也可以在陰影、其他視角辨認出該物體,而統(tǒng)覺性失認癥患者只能在一般視角識別物體,一旦角度改變或出現(xiàn)陰影便無法識別(也就是說,如果識別物體需要從物體的某些特征中推理或抽象出該物體,他們就無法識別)。比如,正常人可以在正對著手機的情況下識別手機,也可以在側(cè)面視角(水平視角,此時手機是一條粗粗的線)識別手機,而統(tǒng)覺性失認癥患者無法在側(cè)面視角識別手機。

聯(lián)絡(luò)性失認癥指的是“能夠提取正常視覺表征但不能用該信息識別物體”的一種障礙,其表現(xiàn)是可以辨識出兩個相同的物體,但是不能夠說出兩個物體的功能(能夠辨識兩張圖片中的物體是相同的,但是不能理解物體的用途)。聯(lián)絡(luò)性失認癥是識別物體意義的功能受損。

聯(lián)絡(luò)性失認癥的研究中,有人指出,這種失認癥具有范疇特異性:只對某些范疇的物體識別具有障礙,失認癥來源于范疇特異性損傷,是一種局限于某些類物體的物體識別障礙。支持該假說的實驗研究是對生命物體和非生命物體識別的探索:有些患者對生命物體(如小鳥)的識別要比非生命物體(如剪刀)的識別更容易;有些患者則相反。

另外,也有人指出生命和非生命物體識別的其他解釋:我們對非生命物體有更好的識別能力是因為在實驗中,很多非生命物體是人造的,而人造物體對人而言,具有動覺表征(比如,看到剪刀時,我們會激活“如何使用剪刀”的動作記憶或想象),使得非生命物體不僅僅會啟動視覺知識還會啟動動覺知識;而生命物體很多只能通過視覺信息來識別(我們并不能實實在在地認識到大多數(shù)動物的動作)。綜合來說,識別非生命物體多靠功能語義信息,而識別生命物體更多依靠視覺信息。神經(jīng)成像技術(shù)對神經(jīng)元活動的研究支持了這種解釋:當我們看人造工具的圖片時,會引起與運動計劃有關(guān)的左側(cè)腹運動前區(qū)激活。

使用計算機模型對范疇特異性損傷進行研究,得出兩種假說:范疇假說和特征假說。范疇假說認為語義信息是根據(jù)我們對世界的范疇劃分進行組織的(比如生命物體、非生命物體);而特征假說則認為語義信息是根據(jù)物體的特征組織的(如物體顏色、形狀)。而語義系統(tǒng)是通過視覺圖像形成的視覺信息和言語名稱形成的功能性語義信息二者聯(lián)系共同起作用的。

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關(guān)于物體識別障礙,Warrington提出了物體識別的解剖學(xué)模型:物體識別有兩個階段,第一個階段是知覺的,識別的是物體的知覺表征(如視覺上“看”到兩個物體是相同的,聽覺上“聽”到兩個物體是相同的),主要依靠右半球;而第二個階段是語義分類,將第一階段的知覺表征與語義知識(如該物體是什么、有什么功能)相聯(lián)系。但該模型無法解釋整合問題(一些患者只能通過物體的一些突出特征識別物體,而不能靠對物體的整體知覺識別物體)。

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Part 4 面孔知覺

面孔失認癥是指不能直接歸因于智力功能退化的面孔識別能力缺陷。從進化心理學(xué)的角度出發(fā),人在一步一步演進的過程中,面孔的重要性逐步提升,我們透過面部可以辨別人、可以獲悉對方的情緒等重要的信息。于是,大腦可能會發(fā)展出特定的區(qū)域用于加工面孔信息。

在對面孔知覺的研究中,給恒河猴呈現(xiàn)面孔圖片(猴子的面孔圖和人類的面孔圖)以及一些具有面孔特征的其他圖片(如對稱的圖形、圓形圖案),觀察腦部活動,發(fā)現(xiàn)面孔知覺和顳葉梭狀回的一個區(qū)域有關(guān)(梭狀回面孔區(qū))。而人在看自己時(自我知覺)則與右側(cè)大腦邊緣系統(tǒng)有關(guān)。

但也有研究者指出,并沒有一個特別用于識別面孔的腦區(qū),面孔識別只是在更加精確的水平上進行加工(要識別人臉需要對人臉進行精確分析)。該說法指明,識別面孔和識別物體是同一性質(zhì)的,只不過面孔識別是范疇內(nèi)(都是人的臉)的,而物體識別往往是范疇間(不同種類的物體)的。而后,有人用面孔倒置效應(yīng)反駁了這個觀點。面孔倒置效應(yīng),是指當我們看倒置的面孔時,很難識別出面孔是否“正?!保ū热缭诘怪玫拿婵字袑⑴缘淖齑揭驳怪?,人很難看出面孔的“奇怪之處”)。這說明加工面孔時和識別物體是不一樣的機制。

Part 5 物體識別的雙系統(tǒng)模型

除開前邊提到的面孔失認癥,失讀癥也是一種識別障礙:能夠理解別人口頭的話語、也能夠說出話語、寫出文字,但是閱讀文字時無法知道文字表達的是什么。面孔失認癥和失讀癥往往不是單獨發(fā)生的,兩種認知障礙都伴隨物體識別障礙。

關(guān)于面孔失認癥和失讀癥,兩種加工理論非常具有解釋力——分析加工和整體加工(分析加工多與左半球有關(guān),整體加工與右半球有關(guān))。在辨識面孔的過程中,雖然也有對面孔局部的信息進行加工,但更多的是對面孔的整體進行加工(識別面孔時,我們更多的是識別整個面孔,而不是通過某個部分如鼻子來識別人)。而閱讀的過程中識別單詞更多的是部分加工(我們需要將單詞中的字母識別,將字母串分解成部分)。面孔失認癥患者可以識別單詞,但是無法通過字跡識別寫下單詞的“作者”(因為字跡分析是整體加工,而不是部分加工)。

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Part 6 視知覺、表象和記憶

在神經(jīng)心理學(xué)的研究中,讓被試通過看刺激而完成任務(wù)和讓被試通過想象刺激來完成任務(wù)的兩個不同加工過程,發(fā)現(xiàn)視知覺和視覺表象具有一樣的神經(jīng)機制:不論被試是在看真實的刺激,還是想象刺激(二者為同一刺激),都會激活相應(yīng)的腦區(qū)(初級視皮質(zhì)區(qū)域血流量增加)。

但是知覺障礙并不能夠完全等同于表象加工也會出現(xiàn)障礙:有研究發(fā)現(xiàn),物體識別障礙的患者,能夠用表象識別物體(即在呈現(xiàn)真實物體時無法辨別,但是讓他想象或回憶物體時,卻能夠區(qū)分)。

另外,關(guān)于視知覺和記憶,如果個體失去了視覺輸入(如致盲)或患上失認癥,隨著時間的流逝,個體的視覺知識(相關(guān)記憶)也會慢慢消失:對比患者卒中4年后和14年后的畫作會發(fā)現(xiàn),14年后的畫作變得更差了(原先的視覺知識喪失了)。


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