摘要：性別差異是認知心理學中一個重要的研究領域。男性在執(zhí)行空間認知任務時的表現(xiàn)往往好于女性，在心理旋轉任務中，這種現(xiàn)象更為普遍。近年來，人們在行為和腦成像等層面對心理旋轉中的性別差異進行了大量的研究，該文通過對其中一部分研究的回顧描述了心理旋轉的性別差異在行為及腦成像實驗中的表現(xiàn)，總結了可能導致這種性別差異的生理及策略等因素。
　　關鍵詞：空間認知，心理旋轉，性別差異　分類號：B842
　　
　　1　引言
　　
　　在1971年，Shepard和Metzler明確提出心理旋轉(mental rotation)的概念并進行了三維旋轉的實驗。結果發(fā)現(xiàn)，被試的反應時間與所需旋轉的角度之間成線性關系，即旋轉的角度越大反應時越長。在之后的研究中人們不斷的改進和重復該實驗，很多結果表明男性在心理旋轉任務中的表現(xiàn)明顯好于女性。近年來，探討心理旋轉任務中的性別差異成為一個研究熱點。本文通過對其中一些具有代表性的行為研究、功能磁共振成像(functional MagneticResonance Imaging，fMRI)研究和腦電(Electroence-phalography,EEG)研究的總結，描述了性別差異在這些實驗中的表現(xiàn)，概括了可能導致這種性別差異的原因。
　　
　　2　心理旋轉行為實驗中的性別差異
　　
　　2.1　任務時限與性別差異
　　Vandenberg和Kuse在1978年設計了一個經典的關于心理旋轉的測試(mental rotation test，MRT)，在該測試中，每個測試項(trial)包含5個類似于Shepard和Metzler設計的由小立方體構成的三維圖形，第一個圖形為標準圖，后邊四個圖形中有兩個為標準圖旋轉一定角度之后的結果(旋轉一定角度之后能夠與標準圖完全重合)，要求被試選出這兩個圖形，并在一定的時間內完成一定數(shù)目的測試項，被試每選對一個圖就會多得一分。在這種測試中，男性的得分往往高于女性。
　　然而Goldstein等人在1990年研究發(fā)現(xiàn)，當不對該測試設置時間限制時，性別差異就會消失。他們進行了兩個實驗，在實驗一中要求被試執(zhí)行有時限的MRT任務，但是采用兩種計分方法，一種是總得分，一種是得分率(判斷正確的項數(shù)與完成項數(shù)的比值)。結果發(fā)現(xiàn)男性的總得分明顯高于女性，而男性的得分率與女性沒有差異。在實驗二中，被試分別執(zhí)行有時限的MRT和無時限的MRT。結果發(fā)現(xiàn)在有時限的任務中男性得分明顯高于女性，在無時限的任務中無性別差異。因此Goldstein等人認為，心理旋轉任務中的性別差異與實驗實施的因素有關。
　　但是之后類似的研究并不支持Goldstein等人的觀點。如Peters在2005年的研究結果發(fā)現(xiàn)，當把MRT任務的時限延長到兩倍時仍然有相同程度的性別差異。Resnick在1993年的研究表明，MRT中的時限并不能充分解釋性別差異。Voyer等人在2004年分別用5種和3種時限來研究性別差異，發(fā)現(xiàn)性別差異并不會隨時限的延長而消失。Delgado和Prieto在1996年的研究也沒有發(fā)現(xiàn)時限對性別差異的影響。Masters在1998年的研究結果表明，不同的計分方式和有無時限的測試都有相似的性別差異。這些結果表明，時間限制并不是造成性別差異的主要原因。
　　
　　2.2　任務維數(shù)和刺激材料對性別差異的影響
　　Collins和Kimura在1997年對三種任務進行研究，一種是三維的MRT任務，另外兩種分別是難度較小和難度較大的二維旋轉任務。結果表明，對于難度較大的二維旋轉任務，性別差異程度與三維MRT任務一樣，而難度較小的二維旋轉任務中的性別差異沒有那么明顯。
　　Peters等人在1995年對MRT任務和一種改進的難度更大的MRT任務(需要圍繞兩個軸旋轉)相比較，結果發(fā)現(xiàn)兩種任務中性別差異程度相似。
　　以上研究的結果表明，二維旋轉和三維旋轉任務都有性別差異，二維旋轉中的性別差異與任務難度有關，三維旋轉中的性別差異可能與難度無關。
　　
　　2.3　性別差異的精密計時研究
　　另外一種研究心理旋轉中性別差異的方法為精密計時法。具體方法為：同時給被試呈現(xiàn)兩個圖形，其中一個相對于另一個旋轉一定的角度，讓被試判斷二者為同一圖形還是關于鏡面對稱。Cooper和Shepard認為被試的反應時間是以下過程的總和：刺激編碼，心理旋轉，旋轉后比較刺激，做出選擇并執(zhí)行。當把旋轉角度作為x軸，反應時作為y軸時，研究人員認為反應時與旋轉角度回歸線斜率的倒數(shù)是旋轉速度，在y軸的截距就是感知比較過程所需的時間。
　　精密計時的研究得出的結果并不清晰，因為不同的實驗性別之間在信息處理上有差異。有時候在斜率上有差異，表明男性旋轉速度快。有時在y軸的截距和斜率都有差異，有時只截距有差異，表明男性在感知上強于女性。
　　最近研究表明，截距不僅包含感知比較的時間，還包含對旋轉的準備時間。如Ilan和Miller曾探討旋轉過程是否是簡單的插入了其他過程中。他們設計了兩個序列的實驗，第一個序列中都是方位差為0度(旋轉0度)的兩個圖形組成的刺激，第二個序列中既有方位差為0度的兩個圖形組成的刺激，又有方位差大于0度的兩個圖形組成的刺激。研究者的思路是：如果兩個圖形相差一定角度，則會發(fā)生下列過程：1)辨識刺激的感知過程；2)心理旋轉；3)判斷兩個圖形相同還是互為鏡像；4)做出反應。當兩個圖形的方位相差0度時只有1、3、4三個過程發(fā)生，當兩個圖形之間的方位差大于0度時，如果過程2是簡單的插入過程1和過程3中，那么被試對每個序列中方位差為0度的兩個圖形組成的刺激的反應時間應該是相等的。但是，結果發(fā)現(xiàn)被試對第二個序列中方位差為0度的兩個圖形組成的刺激的反應時明顯長于第一個序列中刺激的反應時，因此研究者認為，反應時的截距可能是感知比較和對旋轉的準備時間之和。反應時截距的性別差異可能是感知對比或其與旋轉的準備時間混合結果的差異。
　　Jansen-Osmann和Heil用字母、數(shù)字、PMA(primary mental abilities)圖形、動物圖形、多角形和三維圖形作為刺激材料來研究旋轉速度和旋轉的準備時間的性別差異。結果發(fā)現(xiàn)，只有對多角形的旋轉速度和旋轉的準備時間才有非常明顯的性別差異。
　　以上研究結果表明，在心理旋轉任務中，旋轉速度和信息處理(感知比較和旋轉的準備時間)都有性別差異，而且這種差異與刺激材料有關，原因還不是很清楚。
　　
　　3　心理旋轉中性別差異的IMRI研究
　　
　　近年來，fMRI被成功的用在認知神經科學中，這使得人們能夠很方便的研究心理旋轉神經機制的性別差異。但是很多研究者認為利用fMRI進行研究時需要消除行為上的性別差異，這樣才能避免把 腦激活模式的性別差異歸因于行為表現(xiàn)的不同。
　　Jordan等人用fMPI對心理旋轉(用到三維圖形、字母、二維抽象圖形三種刺激材料)過程中的腦激活進行研究，發(fā)現(xiàn)女性在雙側頂內溝、頂上葉、項下葉、顳下回和運動前區(qū)有顯著激活。男性在右腦頂枕溝、左腦頂內溝、左腦頂上葉有顯著激活。男性和女性在運動前區(qū)都有激活，另外男性在左腦的運動區(qū)也有激活，而顳下回沒有激活。他們認為男性和女性在心理旋轉任務中的腦激活模式不同可能表明男性和女性在任務過程中采用了不同的策略。
　　Hugdahl等人對經典的三維旋轉任務研究發(fā)現(xiàn)，頂葉(BA7)和雙側額下回(BA44／45)有大量激活，男性在項葉有更強激活，女性在額下回有更強激活。研究者分析認為，這些結果可能表明男性側重于空間的坐標(coordinate)處理過程，女性側重于序列(serial)的類屬(categorical)處理過程。
　　Butler等人也用tMRI對經典的三維旋轉任務進行研究。發(fā)現(xiàn)女性在前額葉的背內側和其他較高級的皮層比男性有更強激活，表明女性以更費力的自上而下的方式執(zhí)行心理旋轉任務；而男性在初級感覺皮層和學習、心理表象相關的腦區(qū)(基底核、楔前葉)有更強激活，這貼近更自動的自下而上的策略。功能聯(lián)通分析結果與行為數(shù)據結果結合表明，正確的行為與頂側．腦島前庭皮層的負激活關聯(lián)。研究者認為這些結果也許表明男性在心理旋轉任務中使用了一種有效的、下意識的自下而上的神經策略，而這可能是男性具有更強的視空間能力的一個原因。
　　雖然利用fiVIRI技術人們可以很直觀的研究在心理旋轉任務中腦激活的性別差異，但是迄今人們還沒有得出一致的結論，因此還需要進一步的研究。
　　
　　4　心理旋轉中性別差異的EEG／ERP研究
　　
　　EEG是另外一種在認知神經科學中應用比較廣泛也很成熟的技術，Robets和Bell用EEG功率譜分析對心理旋轉中神經電生理的性別差異進行了一系列研究，他們發(fā)現(xiàn)在二維旋轉任務中男性更側重于左腦項葉，女性更側重于右腦頂葉。而在更復雜的三維旋轉任務中，男女都側重于右腦頂葉。對于行為結果，三維旋轉中男性好于女性，二維旋轉中男性和女性沒有差異。這表明，男性和女性在二維和三維旋轉任務中采用了不同的神經機制。當分別對小孩和大學生進行研究時，發(fā)現(xiàn)男性大學生在頂葉和顳葉后部比女性大學生有更強激活，而小男孩和小女孩在項葉和顳葉后部的激活沒有差異。進一步對不同刺激材料旋轉的研究表明，在二維的字母數(shù)字旋轉任務中，男性大學生在左腦顳葉后部有激活，在二維小人圖形的旋轉任務中，男性大學生和男孩在左腦頂葉都較女性大學生和女孩有更強的激活。在三維籃球運動員圖形的旋轉任務中，所有被試在右腦頂葉的激活都強于左腦頂葉。研究者認為這些結果有助于了解兒童到成人腦激活和認知發(fā)展的變化。
　　事件相關電位(event-relatedpotential，ERP)是一種通過疊加提取出由刺激誘發(fā)的腦電位的技術，它的主要優(yōu)點是具有很高的時間分辨率，能夠與具有較高空間分辨率的fMRI技術互補。然而心理旋轉中性別差異的ERP研究很少，據我們所知只有對二維旋轉任務中ERP性別差異的研究。如Desrocher等人在1995年用字母和PMA圖形作為刺激材料探討了心理旋轉任務中ERP結果的性別差異，潛伏期結果表明，對于PMA圖形，角度差越小旋轉開始的越晚；對于字母，角度差越大旋轉開始的越晚；女性對刺激的辨識開始的更早一點。波幅結果表明腦前部皮層參與了字母的辨識，右腦枕葉后部參與了PMA圖形的辨識，與之前關于左右半腦、電極和角度的影響結果一致；女性在辨識后期和旋轉前期正波的波幅更大。在最近的一項研究中，Gootjes等人進行了一項二維心理旋轉任務中性別差異的ERP研究，他們發(fā)現(xiàn)一個早期成分(130～400ms)和一個晚期成分(400～700ms)與任務相關。對于經典的與旋轉本身相關的晚成分，男性要比女性大約早出現(xiàn)100 ms，行為數(shù)據結果表明，男性的反應時大約比女性短100 ms，這些結果說明男性的旋轉過程要比女性開始的早。另外發(fā)現(xiàn)男性比女性更側重于右腦，作者認為這可能是因為男性在心理旋轉中使用了整體的策略。
　　以上研究的結果表明，在心理旋轉過程中男性和女性有不同的神經電生理特征。
　　
　　5　總結及展望
　　
　　認知的很多方面都存在性別差異，如男性的數(shù)學和空間認知能力往往強于女性，而女性的語言認知能力往往強于男性。心理旋轉是空間認知的一個重要方面，這類任務中的性別差異更具有普遍性。與心理旋轉任務中的性別差異有關的因素有很多，包括生理因素，如：性激素、大腦的大�。哼�有社會、環(huán)境、大腦功能的偏側化、性取向等因素。還有人認為任務過程中男性和女性分別采用了整體旋轉和局部旋轉的策略是主要原因。
　　fMRI和EEG／ERP的研究結果表明，心理旋轉任務中的神經機制存在性別差異，而且部分研究具有相似的結論。如fMRI和ERP研究結果都表明，男性和女性可能在心理旋轉任務中采用了不同的策略導致神經機制的不同。經典的三維旋轉任務中的性別差異更具有普遍性，但是用ERP技術對三維旋轉中的性別差異進行的研究還很少，因此進一步探討三維旋轉中ERP的性別差異將是很有意義的工作。
　　迄今為止，用腦成像技術對心理旋轉中性別差異進行的研究中，絕大部分用的都是融合了幾個過程(辨識刺激的感知過程；心理旋轉；判斷兩個圖形相同還是互為鏡像；做出反應)的任務范式，這使得我們不能明確地知道性別差異究竟發(fā)生在了具體哪一個過程。而最近的一項研究中，Lamm等人用fMRI對一種全新的，把各認知過程分離開的旋轉任務下的腦激活進行了研究，得到了很有意義的結果，但是他們并沒有進一步分析性別差異。我們相信，如果利用這種新的任務范式來研究性別差異將會得到很有價值的結果。
　　在腦成像研究中同時考慮其他因素會得到更全面的結果。如Schoning等人研究表明，處于不同生理周期的被試在心理旋轉任務下的腦激活也不同。因此綜合多種因素進行研究會得到更加令人信服的結果。另外，在認知任務中同時采集fMRI和ERP數(shù)據是近年來較熱的研究方法，因為這樣的結果同時具有fMRI技術中較高的空間分辨率和ERP技術中較高的時間分辨率。我們認為同時使用fMRI技術和ERP技術對心理旋轉中的性別差異進行研究具有很好的前景。
　　總之，盡管人們通過大量的研究得到了豐富的結果，利用先進的ERP、fMRI等神經影像技術并綜合其他研究手段進一步探討心理旋轉中的性別差異還是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。

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