摘要人類(lèi)如何表征周?chē)�環(huán)境的空間結(jié)構(gòu)信息，如何利用記憶中的空間表征來(lái)指導(dǎo)個(gè)體在環(huán)境中的空間活動(dòng)，已成為認(rèn)知心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、地理學(xué)以及人工智能研究的重要課題。文章綜述了作者負(fù)責(zé)的實(shí)驗(yàn)室及其合作者近年來(lái)在視覺(jué)空間信息表征、基于運(yùn)動(dòng)的空間表征更新，以及認(rèn)知系統(tǒng)中的不同空間信息處理模塊等方面的研究工作，對(duì)以上問(wèn)題及其內(nèi)在的認(rèn)知機(jī)制問(wèn)題進(jìn)行了初步的探討。
　　關(guān)鍵詞空間記憶，空間參照系，空間表征，空間更新。
　　分類(lèi)號(hào)B842
　　
　　1 引言
　　
　　所有的動(dòng)物和人都是在空間中生存和進(jìn)化的，一個(gè)生物體能否成功地存活和繁衍，空間信息加工能力至關(guān)重要。自從Tolman[1]提出認(rèn)知地圖（Cognitive map）概念以來(lái)，動(dòng)物和人的空間記憶便成為心理學(xué)研究的一個(gè)基本問(wèn)題。20世紀(jì)80年代之后，空間記憶研究更是吸引著認(rèn)知心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、地理學(xué)以及人工智能等多種學(xué)科的研究興趣。在人類(lèi)空間信息加工機(jī)制研究方面，不同研究者對(duì)空間表征的朝向特異性與組織結(jié)構(gòu)[2]，空間記憶的發(fā)生發(fā)展[3]，不同感覺(jué)通道下的空間信息獲取與空間記憶[4,5]，以及通過(guò)語(yǔ)言描述所形成空間記憶[6,7]等方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的探討。
　　與此同時(shí)，空間記憶的腦神經(jīng)機(jī)制研究也一直是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。比如O’keefe和Nadel采用電生理方法最早發(fā)現(xiàn)老鼠海馬中存在著對(duì)空間位置信息具有特異性反應(yīng)的位置神經(jīng)元（place cell）[8]，Taube在老鼠丘腦發(fā)現(xiàn)了對(duì)個(gè)體朝向有特異性反應(yīng)的朝向神經(jīng)元（head direction cell）[9]，Epstein和Kanwisher運(yùn)用fMRI發(fā)現(xiàn)了人對(duì)空間場(chǎng)景有特定激活的海馬旁回（parahippocampal place area, PPA）[10]等。近來(lái)Ekstrom等人結(jié)合電生理與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在人的大腦中同時(shí)記錄到了位置和朝向兩種神經(jīng)元的特異性活動(dòng)[11]。Halfting等人最近的研究則在老鼠大腦的內(nèi)嗅皮層（entorhinal cortex）發(fā)現(xiàn)了支持空間地圖表征的微觀神經(jīng)生理基礎(chǔ)[12]。這些研究發(fā)現(xiàn)極大的推進(jìn)了人們對(duì)空間認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制的理解和把握。
　　雖然人們可以自如的進(jìn)行各種空間活動(dòng)，但人們并未意識(shí)到協(xié)調(diào)和控制空間活動(dòng)的認(rèn)知系統(tǒng)是多么復(fù)雜和有效。其實(shí)，人的感知系統(tǒng)在空間活動(dòng)過(guò)程中不斷地收集著周?chē)�環(huán)境的空間信息，并從這些信息流中引導(dǎo)我們的動(dòng)作和空間巡航，從而讓人們發(fā)現(xiàn)道路，避免障礙物，再認(rèn)先前經(jīng)歷過(guò)的地點(diǎn)，完成重新定向等等。人究竟如何表征周?chē)�環(huán)境的結(jié)構(gòu)信息，如何結(jié)合身體運(yùn)動(dòng)信息來(lái)更新記憶中已經(jīng)形成的空間表征，如何在空間巡航過(guò)程中保持與周?chē)�物體的空間關(guān)系，空間表征的形成是由環(huán)境中何種因素決定的，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中使用單一機(jī)制還是多種空間信息處理來(lái)跟蹤周?chē)�物體的位置信息。人的大腦如何實(shí)現(xiàn)這些看似簡(jiǎn)單的行為，迄今仍然沒(méi)有得到徹底的回答。
　　以下我們將結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室和合作者的具體研究工作，從視覺(jué)空間信息的內(nèi)在參照系表征、基于運(yùn)動(dòng)的空間表征更新，以及人類(lèi)認(rèn)知系統(tǒng)中的不同空間信息處理模塊三個(gè)方面，介紹認(rèn)知實(shí)驗(yàn)心理學(xué)對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行的行為學(xué)考察，在此基礎(chǔ)上，對(duì)人類(lèi)空間表征和空間更新的認(rèn)知機(jī)制進(jìn)行初步的探討。
　　
　　2 人類(lèi)空間記憶的內(nèi)在參照系表征理論
　　
　　人類(lèi)空間記憶是以環(huán)境參照系（allocentric frames of reference）還是以自我參照系 （egocentric frames of reference）來(lái)表征，是當(dāng)前空間認(rèn)知領(lǐng)域爭(zhēng)論的熱點(diǎn)問(wèn)題[13, 14]。前者認(rèn)為物體位置是相對(duì)于環(huán)境中其他物體（如標(biāo)志性建筑、主要道路等）來(lái)表征的，人的運(yùn)動(dòng)并不會(huì)更新空間表征本身；后者則認(rèn)為物體位置是相對(duì)于觀察者自己（如眼睛、頭和軀體等）來(lái)表征的，空間表征會(huì)隨著觀察者的運(yùn)動(dòng)而不斷更新。Mou和McNamara首次提出人類(lèi)空間記憶是以環(huán)境內(nèi)在參照系（intrinsic frames of reference）來(lái)表征的觀點(diǎn)[13]，并通過(guò)多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)論證了熟悉場(chǎng)景的空間關(guān)系記憶，自我朝向感喪失條件下所維持的空間關(guān)系表征，都是基于場(chǎng)景內(nèi)在參照系來(lái)表征的。并同時(shí)從整體和個(gè)體水平提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，決定我們?nèi)绾伪碚鳝h(huán)境空間信息的，是場(chǎng)景本身具有的內(nèi)在結(jié)構(gòu)而不是以自我為中心的觀察視線（egocentric viewpoint）。
　　
　　2.1 熟悉場(chǎng)景的空間記憶基于內(nèi)在參照系表征的證據(jù)
　　Mou和McNamara首次用實(shí)驗(yàn)分離了觀察者視線和場(chǎng)景內(nèi)在軸（intrinsic axis）對(duì)空間表征的作用，提供了熟悉場(chǎng)景的空間記憶中，物體位置是以場(chǎng)景內(nèi)在參照系來(lái)表征的實(shí)驗(yàn)證據(jù)[13]。
　　圖1學(xué)習(xí)時(shí)的物體場(chǎng)景，引自文獻(xiàn)[13]
　　 實(shí)驗(yàn)要求被試學(xué)習(xí)圖1所示的場(chǎng)景。被試從315º看場(chǎng)景并被要求沿著315º的方向或沿著0º的方向?qū)W習(xí)場(chǎng)景。然后根據(jù)記憶作相對(duì)方向判斷（如，“想象你站在物體甲，面對(duì)物體乙，請(qǐng)指向物體丙”）。被試共有8個(gè)想象朝向（imagined heading），從0º到315º，間隔為45º。一個(gè)重要的結(jié)果是，想象朝向與學(xué)習(xí)條件存在著交互作用：要求按315º方向?qū)W習(xí)的被試更容易從想象朝向315º做出相對(duì)方向判斷，而要求按照0º方向?qū)W習(xí)的被試更容易從想象朝向0º做出相對(duì)方向判斷（圖2），即使315º方向是他們的觀察方向。這個(gè)結(jié)果直接表明：空間關(guān)系表征并不是觀察視線所決定的，而是由被試所選擇的內(nèi)在參照系決定的。
　　圖2被試的平均錯(cuò)誤角度，引自文獻(xiàn)[13]
　　
　　2.2自我朝向感喪失后的空間記憶基于內(nèi)在參照系表征的證據(jù)
　　個(gè)體如何使用已經(jīng)形成的空間表征來(lái)完成空間定位任務(wù)，不同的研究者持有不同的觀點(diǎn)。持自我參照系表征觀點(diǎn)的研究者認(rèn)為[14, 15]，當(dāng)個(gè)體與環(huán)境中物體的位置關(guān)系因?yàn)閱适ё晕页�向感（比如迷向）而被破壞后，環(huán)境中不同物體之間的空間關(guān)系，就不能再通過(guò)被破壞的自我中心表征得以維持，從而造成物體空間關(guān)系知識(shí)的破壞或者消失。與之相對(duì)，堅(jiān)持環(huán)境參照系表征觀點(diǎn)的研究者則認(rèn)為[13,16]，個(gè)體自我朝向感的喪失并不必然破壞空間表征中物體與物體空間關(guān)系的知識(shí)。因此，在喪失自我朝向感的條件下，觀察者能否維持記憶中物體之間的空間關(guān)系知識(shí)，是區(qū)分自我參照系表征和環(huán)境參照系表征的關(guān)鍵因素。
　　Mou和McNamara等人[17]采用了Wang和Spelke[15]所使用的實(shí)驗(yàn)范式，用4個(gè)實(shí)驗(yàn)考察了不同條件下空間關(guān)系表征在自我朝向感喪失前后的變化。被試先學(xué)習(xí)一組物體的空間位置，然后分別在基線條件（閉上眼睛但維持學(xué)習(xí)朝向）、更新條件（閉上眼睛然后轉(zhuǎn)動(dòng)較小角度）和迷向條件（閉上眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)自己直至失去朝向感）三種情況下指示周?chē)�物體的空間位置。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)也操縱了場(chǎng)景本身是否具有明顯的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，場(chǎng)景中物體數(shù)目的多少等因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，被試在迷向條件下所維持的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系知識(shí)并沒(méi)有被破壞，而是與基線和更新條件相當(dāng)。這個(gè)結(jié)果與自我中心表征理論沖突，而與內(nèi)在參照系理論相符合，表明在喪失自我朝向感的條件下，個(gè)體所維持的空間記憶是基于環(huán)境內(nèi)在參照系來(lái)表征的。
　　
　　2.3多視點(diǎn)學(xué)習(xí)條件下的空間記憶基于內(nèi)在參照系表征的證據(jù)
　　Mou和Zhao等人關(guān)于“場(chǎng)景內(nèi)在結(jié)構(gòu)在空間表征中的作用”的系列研究[18]，則通過(guò)直接檢驗(yàn)內(nèi)在參照系理論的兩個(gè)理論預(yù)測(cè)來(lái)驗(yàn)證該理論的有效性。根據(jù)內(nèi)在參照系表征理論，觀察者在表征空間信息時(shí)所建立的空間參照系是內(nèi)在于環(huán)境之中的，如果該理論是有效的，那么它將直接推論出兩個(gè)結(jié)果：（1）場(chǎng)景內(nèi)在結(jié)構(gòu)而非觀察者觀察視線決定空間信息如何表征，（2）場(chǎng)景是否具有明顯的內(nèi)在結(jié)構(gòu)決定了空間參照系選擇的一致性程度。相反，如果該理論是無(wú)效的，那么在多視點(diǎn)學(xué)習(xí)條件下，我們將觀測(cè)到初始視點(diǎn)效應(yīng)[19]或者空間表征依賴(lài)于多個(gè)觀察視點(diǎn)的結(jié)果。
　　實(shí)驗(yàn)采用了基于個(gè)體（individual-based）和基于整組（group-based）的實(shí)驗(yàn)范式，通過(guò)4個(gè)實(shí)驗(yàn)考察上述兩個(gè)理論預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)中，被試在沒(méi)有任何外界線索的環(huán)境中，從多個(gè)觀察視點(diǎn)學(xué)習(xí)物體場(chǎng)景，其中一個(gè)觀察視點(diǎn)與場(chǎng)景的明顯內(nèi)在結(jié)構(gòu)（左右對(duì)稱(chēng)）相一致，然后被試根據(jù)記憶完成相對(duì)位置判斷任務(wù)。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不論在整體水平還是在個(gè)體水平，被試都選擇了與內(nèi)在場(chǎng)景結(jié)構(gòu)一致的空間參照系來(lái)表征物體的空間位置信息。而且當(dāng)場(chǎng)景具有明顯內(nèi)在結(jié)構(gòu)時(shí)，被試在空間參照系的選擇上非常一致。而當(dāng)場(chǎng)景內(nèi)在結(jié)構(gòu)因?yàn)樘砑觾蓚�(gè)無(wú)關(guān)物體而被破壞時(shí)，被試不論在整體水平還是在個(gè)體水平，都不再穩(wěn)定地選擇與其一致的朝向作為內(nèi)在參照系的優(yōu)勢(shì)方向。該發(fā)現(xiàn)首次同時(shí)從整體與個(gè)體水平揭示了場(chǎng)景內(nèi)在結(jié)構(gòu)如何影響人對(duì)環(huán)境中空間信息的表征，驗(yàn)證了內(nèi)在參照系理論的兩個(gè)直接推論，為該理論的有效性提供了強(qiáng)有力的支持性證據(jù)。
　　
　　3 空間巡航過(guò)程中基于運(yùn)動(dòng)的空間表征更新
　　
　　Rieser的研究發(fā)現(xiàn)，與想象條件相比，個(gè)體運(yùn)動(dòng)可以克服從新穎朝向上提取空間信息時(shí)引起的誤差[4]。Simons和Wang也認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)輔助作用可以消除場(chǎng)景識(shí)別中的視點(diǎn)依賴(lài)性（viewpoint dependency）[20]。但Mou和合作者關(guān)于空間推理和物體識(shí)別的兩項(xiàng)研究，則發(fā)現(xiàn)基于運(yùn)動(dòng)的空間表征更新（spatial updating）并不能消除空間表征和物體識(shí)別中的視點(diǎn)依賴(lài)性[16, 21]。Mou等人據(jù)此提出了人類(lèi)空間巡航過(guò)程中空間更新的雙系統(tǒng)模型[16]。該模型認(rèn)為，觀察者的運(yùn)動(dòng)過(guò)程所更新的僅僅是自己相對(duì)于環(huán)境參照系的位置和朝向，而不是更新空間表征或者物體表征本身。
　　
　　3.1 空間更新并不能改變空間表征的朝向依賴(lài)性
　　我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中究竟更新了什么？是直接改變了記憶中已經(jīng)形成的空間表征本身，還是僅僅利用身體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)覺(jué)信息調(diào)整了我們自己在空間表征中相對(duì)于環(huán)境參照系的位置和朝向？針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，Mou和McNamara等人通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)朝向、想象朝向和測(cè)試朝向等因素的聯(lián)合操縱（如圖3所示），首次提供了觀察者身體轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，自我朝向相應(yīng)更新但表征環(huán)境結(jié)構(gòu)的內(nèi)在參照系保持不變的實(shí)驗(yàn)證據(jù)[16]。
　　圖3Mou等人的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，引自文獻(xiàn)[16]
　　在其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，被試首先記憶場(chǎng)景中物體的位置，然后分別從三個(gè)想象朝向完成相對(duì)位置判斷任務(wù)。三個(gè)想象朝向分別是0º（和學(xué)習(xí)朝向一致），90º（學(xué)習(xí)朝向向左轉(zhuǎn)90º）和225º（學(xué)習(xí)朝向向左轉(zhuǎn)225º）。同時(shí)，被試的真實(shí)朝向和想象朝向也有兩種關(guān)系：一種條件下被試的真實(shí)朝向和想象朝向總是一致；另一種條件則總不一致（相差225度）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不論真實(shí)朝向和想象朝向是否一致，被試在想象朝向0º的判斷成績(jī)總好于想象朝向225º的成績(jī)（即表現(xiàn)出朝向依賴(lài)性），說(shuō)明被試表征物體位置的內(nèi)在參照系并沒(méi)有隨身體轉(zhuǎn)動(dòng)而改變。同時(shí)，被試在真實(shí)朝向和想象朝向一致時(shí)的位置判斷要好于當(dāng)兩者不一致時(shí)的位置判斷（圖4，A-I=0º表示真實(shí)和想象朝向一致，A-I=225º表示兩者相差225º），這表明被試在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中更新了自己相對(duì)于內(nèi)在參照系的朝向，否則真實(shí)朝向和想象朝向一致與否就不會(huì)影響被試位置判斷的成績(jī)。
　　圖4被試的平均錯(cuò)誤角度，引自文獻(xiàn)[16]
　　Mou和McNamara等人認(rèn)為，存在著以自我為中心的更新（egocentric updating）和以環(huán)境為中心的更新（allocentric updating）兩個(gè)過(guò)程[16]。以自我為中心的系統(tǒng)控制個(gè)體運(yùn)動(dòng)時(shí)瞬間的自我-物體空間關(guān)系，保證個(gè)體有效避開(kāi)障礙物，但不能保證不迷失方向。為保持方向，個(gè)體必須知道環(huán)境中物體之間的穩(wěn)定空間關(guān)系，及自己相對(duì)于熟悉物體的位置和朝向，這由以環(huán)境為中心的系統(tǒng)負(fù)責(zé)。個(gè)體利用自己相對(duì)于內(nèi)在參照系的位置和朝向以及內(nèi)在參照系所表征的物體關(guān)系，就能計(jì)算出運(yùn)動(dòng)過(guò)程中任何物體相對(duì)于自己的空間關(guān)系。觀察者的運(yùn)動(dòng)過(guò)程所更新的僅僅是自己相對(duì)于環(huán)境參照系的位置和朝向，而不是更新空間表征或者物體表征本身。
　　
　　3.2 空間更新并不能消除物體識(shí)別中的視點(diǎn)依賴(lài)性
　　Mou和合作者關(guān)于“三維虛擬環(huán)境下的視覺(jué)物體識(shí)別”的研究[21]，進(jìn)一步驗(yàn)證了空間更新的雙系統(tǒng)模型在視覺(jué)物體識(shí)別中的理論預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)參與下的物體識(shí)別與空間推理任務(wù)一樣，也同時(shí)表現(xiàn)出空間更新與視點(diǎn)依賴(lài)性?xún)蓚�(gè)獨(dú)立效應(yīng)。并提供證據(jù)表明，基于運(yùn)動(dòng)的空間更新并不能消除視覺(jué)物體識(shí)別過(guò)程中的視點(diǎn)依賴(lài)性，而且空間更新只在較小的運(yùn)動(dòng)角度范圍內(nèi)才體現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)輔助作用。
　　實(shí)驗(yàn)采用了虛擬環(huán)境中的物體再認(rèn)范式，被試通過(guò)頭盔顯示器記憶虛擬三維物體，然后走到新的位置或者走到中間再返回原處。同時(shí)，虛擬物體也同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度或者保持不動(dòng)（見(jiàn)圖5）。被試的任務(wù)是判斷再次看到的物體是否與先前記憶的物體相同，而不管該物體是否旋轉(zhuǎn)。結(jié)果表明，不論被試在原地還是走到新的位置做判斷，從學(xué)習(xí)視點(diǎn)識(shí)別物體都要比從新穎視點(diǎn)識(shí)別物體準(zhǔn)確（視點(diǎn)依賴(lài)性效應(yīng)）。同時(shí)，當(dāng)從新穎視點(diǎn)識(shí)別物體時(shí)，物體保持不動(dòng)的條件（人運(yùn)動(dòng)，物體不動(dòng)）要比物體轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下（人不動(dòng)，物體轉(zhuǎn)動(dòng)）識(shí)別成績(jī)更好（空間更新效應(yīng)）。兩個(gè)效應(yīng)同時(shí)存在表明，基于運(yùn)動(dòng)的空間更新并不能消除物體識(shí)別中的視點(diǎn)依賴(lài)性，進(jìn)而從物體識(shí)別角度為空間更新的雙系統(tǒng)模型提供了支持性證據(jù)。而且，當(dāng)個(gè)體的運(yùn)動(dòng)角度增至90度時(shí)，視點(diǎn)依賴(lài)性依然存在，而運(yùn)動(dòng)期望效應(yīng)卻消失了。這些結(jié)果表明，人的運(yùn)動(dòng)引起的空間更新并不如Simons和Wang[20]所假設(shè)的那么強(qiáng)，一方面，空間更新并不能改變空間表征或者物體表征本身，另一方面，至少在視覺(jué)物體信息處理中，運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輔助作用可能只在小角度的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)才有效。人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程所更新的，只是自己相對(duì)于環(huán)境參照系的位置和朝向。
　　圖5 物體識(shí)別中的刺激呈現(xiàn)序列，引自文獻(xiàn)[21]
　　
　　4 綁定于環(huán)境和綁定于身體的空間信息處理模塊
　　
　　在日常生活中，我們具有很強(qiáng)的在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中跟蹤周?chē)�物體位置信息的能力。Farrell 和Roberson認(rèn)為這是一種自動(dòng)化的空間更新過(guò)程[22]。比如當(dāng)向后轉(zhuǎn)身時(shí)，我們非常清楚的知道原來(lái)在前面的東西現(xiàn)在已經(jīng)位于我們后面。那么我們究竟是如何在空間巡航過(guò)程中保持與周?chē)�物體的空間關(guān)系，我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中是僅僅使用單一認(rèn)知機(jī)制，還是依靠多種信息處理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)這種跟蹤呢？Mou和同事進(jìn)行的一系列研究表明，人的認(rèn)知加工系統(tǒng)存在著兩種完全不同的空間信息處理模塊，即綁定于環(huán)境的（environment-stabilized）空間信息模塊和綁定于身體的（body-stabilized）空間信息處理模塊，兩者分別負(fù)責(zé)我們對(duì)不同類(lèi)別空間信息的追蹤[23]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，兩者同樣具有自動(dòng)加工的屬性，某種模塊一旦被激活，便很難被主觀的認(rèn)知努力所忽略和擬制。這種自動(dòng)加工屬性，也許是人們根本感受不到自身空間跟蹤能力如此復(fù)雜和有效的原因。
　　
　　4.1 虛擬環(huán)境中存在兩種空間信息處理模塊的實(shí)驗(yàn)證據(jù)
　　Mou和Biocca等人將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality）應(yīng)用到空間認(rèn)知研究中，首次提供證據(jù)表明人的空間認(rèn)知系統(tǒng)中存在著綁定于身體的信息處理模塊[23]。該模塊的工作機(jī)制假定在人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，物體與觀察者的空間位置關(guān)系將保持不變。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，從綁定于環(huán)境的空間信息轉(zhuǎn)換到綁定于身體的空間信息十分靈活，甚至只需要指導(dǎo)語(yǔ)便可以實(shí)現(xiàn)。這為將來(lái)移動(dòng)式空間化人機(jī)系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)提供了認(rèn)知理論依據(jù)。
　　圖6 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，引自文獻(xiàn)[23]
　　在其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，被試首先學(xué)習(xí)呈現(xiàn)在真實(shí)地板上8個(gè)虛擬物體的位置（如圖6）。在做相對(duì)位置判斷之前（如“想象你面對(duì)手機(jī)，請(qǐng)指向小球”），被試戴上眼罩并轉(zhuǎn)動(dòng)身體到規(guī)定方向（手機(jī)或本子）。實(shí)驗(yàn)同時(shí)操縱了學(xué)習(xí)朝向與想象朝向（L-I）以及身體真實(shí)朝向與想象朝向（A-I）的角度差別（0º和90º）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)的被試，A-I對(duì)相對(duì)位置判斷有顯著影響（圖7a），但當(dāng)讓被試短暫體驗(yàn)到虛擬物體相對(duì)自己不變，或被直接告知虛擬物體將會(huì)相對(duì)自己不變時(shí)，A-I對(duì)相對(duì)位置判斷便不再產(chǎn)生影響（圖7b）。這表明，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的被試激活了綁定于環(huán)境的模塊，認(rèn)為虛擬物體是相對(duì)于真實(shí)地板位置不變的；但該模塊會(huì)在短時(shí)經(jīng)驗(yàn)或指導(dǎo)語(yǔ)影響下，迅速靈活的被綁定于身體的模塊所取代，即認(rèn)為虛擬物體跟隨自己轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，是相對(duì)于自己位置不變的。
　　圖7 給予指導(dǎo)語(yǔ)之前（a）和之后(b)被試的平均反應(yīng)時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[23]繪制
　　
　　4.2 真實(shí)環(huán)境中的空間信息處理模塊及其自動(dòng)加工屬性
　　Mou和同事*關(guān)于“真實(shí)物理環(huán)境中的空間信息處理模塊及其自動(dòng)加工屬性”的研究，將兩種空間信息處理模塊的適用范圍，從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)一步推廣到真實(shí)的物理環(huán)境。并首次提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明，綁定于身體的空間信息處理模塊同樣具有自動(dòng)加工的屬性，一旦激活便并不能被高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)所抑制。
　　實(shí)驗(yàn)采用了Mou和Biocca等人使用的范式，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)考察了激活特定空間信息處理模塊的影響因素及其自動(dòng)化加工屬性[23]。被試首先學(xué)習(xí)其周?chē)?個(gè)物體的位置，然后閉上眼睛自主轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，接著完成相對(duì)位置判斷任務(wù)（如圖8所示）。結(jié)果表明，當(dāng)物體放置在地面上，或者放置在圓桌面上時(shí)（但被試并不知道桌面可以轉(zhuǎn)動(dòng)），被試并不能按照指導(dǎo)語(yǔ)的要求想象所有物體跟著自己一起轉(zhuǎn)動(dòng)，即采用了默認(rèn)的綁定于環(huán)境的空間信息處理模塊。表現(xiàn)在結(jié)果上，被試的反應(yīng)明顯的收到想象朝向和身體實(shí)際朝向角度差別的影響（A-I效應(yīng)）。但當(dāng)被試觀察到圓桌面可以轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，被試就很容易的采用了綁定于身體的空間信息處理模塊，即被試反應(yīng)不再受A-I因素的影響。
　　圖8 真實(shí)環(huán)境中的學(xué)習(xí)場(chǎng)景（桌面外周可以轉(zhuǎn)動(dòng)）
　　相應(yīng)的控制實(shí)驗(yàn)則進(jìn)一步表明，提供直接的視覺(jué)信息（即被試可以看到桌面是可轉(zhuǎn)動(dòng)的）是激活綁定于身體的空間信息處理模塊的必要條件。因?yàn)�，�?dāng)不提供視覺(jué)信息，而僅僅是告訴被試，在其身體轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)主試也會(huì)同時(shí)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)桌面，并不能促使被試采用綁定于身體的空間信息處理模塊，而單純的視覺(jué)信息卻可以激活該模塊（即使桌面實(shí)際并沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)）。最后，當(dāng)被試激活了綁定于身體的空間信息處理模塊后（即被試看到桌面可轉(zhuǎn)動(dòng)），被試就不能按照指導(dǎo)語(yǔ)的要求去想象所有的物體都停留在原來(lái)的位置。這說(shuō)明，綁定于身體的模塊一旦激活，與綁定于環(huán)境中的空間信息處理模塊一樣，并不能被高級(jí)認(rèn)知努力所抑制，即具有一定的自動(dòng)加工屬性。
　　兩種空間信息處理模塊及其自動(dòng)加工屬性的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于移動(dòng)式空間化人機(jī)計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有著重要的理論指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。即只要有視覺(jué)支持的情況下，短時(shí)間視覺(jué)經(jīng)驗(yàn)與指導(dǎo)語(yǔ)就能促使移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的使用者激活綁定于身體的空間信息處理模塊。一旦該模塊被激活，個(gè)體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中定位各種相對(duì)于身體的空間化信息將更為容易和準(zhǔn)確，從而使計(jì)算系統(tǒng)的移動(dòng)化和空間化成為可能。
　　
　　5 小結(jié)與展望
　　
　　以上我們分別從空間記憶的內(nèi)在參照系表征理論，運(yùn)動(dòng)參與下的空間表征更新，以及人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中追蹤物體位置信息的空間信息處理模塊三個(gè)方面，系統(tǒng)的回顧了當(dāng)前空間認(rèn)知研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題及所涉及的一些實(shí)驗(yàn)研究。這些結(jié)論和研究發(fā)現(xiàn)，為我們從認(rèn)知機(jī)制上理解和回答引言中所述的問(wèn)題提供了一個(gè)理論解釋上的參考框架。
　　空間記憶的內(nèi)在參照系理論認(rèn)為，正如人們對(duì)形狀和物體如何解釋取決于把物體哪個(gè)部分定義為它的“上方”一樣[24, 25]，當(dāng)人們要記憶環(huán)境中的空間位置信息時(shí)，也需要選擇一個(gè)參照方向來(lái)把環(huán)境解釋為一個(gè)空間信息參照系統(tǒng)。而這個(gè)參照系或者參照方向的選擇則是由環(huán)境的內(nèi)在結(jié)構(gòu)決定的，也就是說(shuō)，場(chǎng)景的內(nèi)在參照結(jié)構(gòu)決定了我們會(huì)形成什么樣的空間表征，以及會(huì)在多大程度上形成這種表征。由內(nèi)在參照系界定的空間表征一旦形成之后，除非遇到更強(qiáng)的內(nèi)在參照系線索，便不會(huì)隨著人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程而相應(yīng)改變。人的運(yùn)動(dòng)與空間巡航過(guò)程，僅僅更新了自己相對(duì)于內(nèi)在參照系的位置和朝向。這種基于運(yùn)動(dòng)的空間更新，可以在一定程度和范圍內(nèi)易化對(duì)空間記憶中的信息提取，但由于空間表征的朝向依賴(lài)性，空間更新并不能消除從新穎朝向提取空間信息時(shí)的誤差。
　　另一方面，作為長(zhǎng)期的適應(yīng)性進(jìn)化的結(jié)果，人類(lèi)認(rèn)知系統(tǒng)分化出了兩種（或者更多）空間信息處理模塊，來(lái)分別負(fù)責(zé)不同類(lèi)別空間信息的跟蹤任務(wù)。綁定于環(huán)境的空間信息模塊，認(rèn)為物體是相對(duì)于環(huán)境保持不變的，因而個(gè)體的運(yùn)動(dòng)信息會(huì)激活該模塊不斷更新自己與空間參照系的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)時(shí)計(jì)算出物體相對(duì)于自己的關(guān)系，從而保持與周?chē)�物體的空間關(guān)系信息。綁定于身體的空間信息處理模塊，認(rèn)為物體是相對(duì)于自己保持不變的，因而個(gè)體的運(yùn)動(dòng)信息就不再更新自己與空間參照系的關(guān)系，從而維持物體隨觀察者運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定空間關(guān)系。兩種空間信息處理模塊最直接的例子莫過(guò)于汽車(chē)駕駛，對(duì)于駕駛者來(lái)說(shuō)，車(chē)內(nèi)的東西，如方向盤(pán)，剎車(chē)等，需要綁定于身體的空間信息處理模塊負(fù)責(zé)；而車(chē)外的東西，如路標(biāo)、建筑等，則需要綁定于環(huán)境的空間信息處理模塊負(fù)責(zé)。
　　最后，盡管來(lái)自不同學(xué)科的研究者，對(duì)人與動(dòng)物的空間行為進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的不懈探索，但目前對(duì)大腦這種基本認(rèn)知功能的認(rèn)識(shí)，未知的和待解決的問(wèn)題絲毫不少于已經(jīng)獲得的研究結(jié)論。比如，如何整合不同來(lái)源的空間信息以形成穩(wěn)定有效的空間表征，基于運(yùn)動(dòng)的空間更新的認(rèn)知本質(zhì)是什么，以環(huán)境參照系表征的空間知識(shí)如何轉(zhuǎn)化到自我參照系以引導(dǎo)各種肢體行為，內(nèi)在參照系表征的神經(jīng)生理基礎(chǔ)是什么，是否存在與不同空間信息處理模塊相對(duì)應(yīng)的大腦神經(jīng)機(jī)制，如何實(shí)現(xiàn)人類(lèi)空間智能的機(jī)器模擬，等等。歐洲與北美的科研機(jī)構(gòu)，已經(jīng)開(kāi)始集成研究力量并提供大力資助，力爭(zhēng)在人類(lèi)空間認(rèn)知研究上取得突破性進(jìn)展。如德國(guó)科學(xué)基金會(huì)（DFG）自1996年開(kāi)始投入大量基金持續(xù)資助 “空間認(rèn)知研究”優(yōu)先項(xiàng)目（DFG Spatial Cognition Priority Program），整個(gè)項(xiàng)目涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能，心理學(xué)，語(yǔ)言學(xué)，地理學(xué)等德國(guó)大學(xué)與科研機(jī)構(gòu)的科學(xué)家，涵蓋了空間表征與心理模型，空間參照系與動(dòng)作執(zhí)行，機(jī)器人巡航與空間行為分析，空間化界面設(shè)計(jì)等17個(gè)重點(diǎn)研究課題。自2003年起，其后續(xù)項(xiàng)目投入更是高達(dá)3.53億歐元。相信人類(lèi)對(duì)自己如何得知現(xiàn)在何處，如何到達(dá)下個(gè)地點(diǎn)的理解將不斷加深。
　　
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　　Human Spatial Memory and Spatial Navigation
　　Mou Weimin1Zhao Mintao1, 2Li Xiaoou1, 2
　　(1 State Key Laboratory of Brain and Cognitive Science, Institute of Psychology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)
　　(2 Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100039, China)
　　
　　Abstract: How is the configuration of the surrounding environment represented in human memory, and how does this spatial representation guide human navigation? These questions are being tackled by an endeavor of multiple disciplines including Psychology, Neuroscience, Geography, and Artificial Intelligence. This paper reviewed the research of our lab and collaborators addressing the above questions in three series of studies including intrinsic model of spatial memory, the allocentric and egocentric spatial updating, and body and environmental stabilized processing of spatial knowledge during locomotion.
　　Key words spatial memory, spatial frames of reference, spatial updating, body stabilized spatial process, environment stabilized spatial process.
　　注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文

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