时间知觉的理论模型与展望，本文主要内容关键词为：知觉论文,模型论文,理论论文,时间论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：B842 文献标识码：A 文章编号：1673-9841(2011)05-0026-08
时间信息加工(temporal information processing)的研究范围非常广泛，从微秒至数十年的时间范围均可以作为研究对象。微秒范围的时间信息可以用于定位发声源；毫秒范围的时间信息加工是运动控制、语言、音乐知觉等行为的基础；秒、分和小时范围的时间信息加工涉及决策、觅食和有意识的时间估计；生物钟负责天范围的时间信息加工[1-2]。如图1所示，对各个范围的时间信息进行加工的精确性和灵活性也不同，天范围的生物节律具有较高的精确性，但缺乏灵活性；秒、分和小时范围时间加工的精确性较低，但灵活性较高；秒以下的时间加工的精确性的变化范围较大，主要取决于神经系统的内部属性[1]。
图1 时间信息加工的范围和误差[1]
时间知觉(time perception)研究毫秒至大约3秒内的时间信息加工，而大约3秒以上的时间信息加工称为时间估计(time estimation)[3]。时间知觉与“知觉到的现在”的内涵大致相同，是指将一些时间上相继的事件感知为大致同时或一个整体的经验；虽然也牵涉时距，但不同于时间估计，不牵涉长时记忆，是对当前刺激的直接反应；虽然也牵涉时序，但有一定的时限、顺序，知觉依赖于同质刺激的自发组织，不同于对顺序的记忆重构[4]。
时间知觉对人的生存具有重要意义，一直受到研究者的关注。图2为1952-2009年每年发表的时间知觉相关论文数量。从图2可以看出：1970年以前每年发表论文在100篇以下；1970-2000年间，每年发表论文100篇左右；2000年以后发表论文数迅速增加，2009年发表452篇论文，说明研究者意识到时间知觉研究具有非常大的意义，并且研究兴趣在逐年增加。持续性和顺序性是时间知觉研究的重要内容，本文将从时距知觉和时序知觉这两方面对时间知觉的理论模型进行介绍。
图2 1952-2009年每年发表时间知觉相关论文的数量[5]
一、时距知觉的理论模型
时距知觉仅限于大约3秒内的持续性知觉，该范围内的时距信息被整合为一个整体进行加工，持续性和整体性是时距知觉的两个重要特征。按照时距信息的表征方式，可以把时距知觉的理论模型划分为：起搏器—累加器模型、资源分配模型、记忆衰减模型和状态依赖网络模型。
(一)起搏器—累加器模型
起搏器—累加器(pacemaker-accumulator)的思想来源于机械钟表，最早是由Treisman所提出来的[6]，这一思想成为随后所提出来的一系列时间信息加工模型的基础。内部时钟模型(internal clock model)假设脑内存在一个起搏器(pacemaker)或振荡器，它按照一定的频率稳定地发出脉冲，这些脉冲被一个计数器记录整合，成为表征时间的基础。计数器所记录的时间信息可以进入存储器和比较器，比较器将当前时间信息与存储器中的时间信息进行比较[6]。
标量计时理论(scalar timing theory)是在内部时钟模型的基础上发展起来的。该理论最初称为标量期待理论(scalar expectancy theory)，其名称来源于时距估计的标量属性，即时距的内部表征并非完全与物理时距一样，而是符合正态分布，其标准差除以平均值为一常数，标量属性说明时距估计也符合韦伯定律(Weber's law)[7]。该模型包括时钟、记忆和决策三个水平。时钟阶段通过起搏器以一定的频率产生脉冲，注意时间特征会使起搏器和累加器之间的开关联通，从而使脉冲通过开关进入累加器。记忆阶段由工作记忆和参照记忆组成，累加器把有关的时间信息传送至工作记忆和参照记忆中，并形成相应的时间表征。决策阶段主要对工作记忆中的当前时距和参照记忆中的时距表征进行比较[8-9]。
以起搏器—累加器的思想为基础，结合神经生物学领域的研究，Meck等[10]提出了纹状体振荡频率模型(striatal beat frequency model，SBF)。该模型认为，在皮质—纹状体回路中，对皮质中神经元振荡的同步检测(coincidence detection)是时间信息表征的神经基础。前额皮质神经元可以采用振荡(oscillation)对刺激进行表征，纹状体(位于基底神经节)可以检测皮质神经元的振荡模式，刺激的物理特征信息可由振荡神经元获得，而时间信息可由振荡的相对相位提取[11]。如图3所示，前额皮质中的神经元A、B和C以一定的频率进行振荡，纹状体的中型棘神经元(medium spiny neuron)接受皮质神经元的输入，能够检测皮质神经元的振荡情况，整合皮质神经元的不同振荡频率，按照整合后的频率发放脉冲。时距加工开始时，大脑释放多巴胺提示计时开始，使皮质振荡同步化，并重置纹状体棘神经元的状态水平；时距加工结束时，再次释放多巴胺，改变棘神经元的突触连接，形成时距的神经表征[1，12]。
图3 纹状体振荡频率模型示意图[12]
(二)资源分配模型
对事件的呈现时间越注意时，该事件的时间显得越长。加工时间模型(processing time model)也称为注意模型(attention model)[13]认为一个刺激可以由视觉信息加工器和计时器进行加工。计时器加工时间信息，视觉信息加工器加工刺激的视觉物理特征信息。根据任务要求和重要性的不同，可以将有限的注意资源按不同的比例分配到这两个加工器上，分配给计时器的注意资源越多，知觉时间越长。
Zakay将该模型与预期式和回溯式时距估计范式联系起来，提出注意的资源分配模型(resource allocation model)[14]。在实验前要求被试注意时间信息时，被试会将大部分的注意资源分配于时间加工器，为预期式时距判断；在实验前没有要求被试注意时间信息，而在实验最后要求被试回忆实验所用时间，被试会将大部分注意资源分配于非时间加工器，为回溯式时距判断。随后，Zakay和Block将注意资源分配模型和标量计时模型整合起来，提出了注意闸门模型(attentional-gate model)[15]。在起搏器和开关之间加入一个注意闸门，注意闸门的打开程度可以连续变化。在回溯式判断时，注意闸门完全关闭，没有脉冲进入累加器；预期式判断时，闸门打开的程度反映了分配在时间加工器上的注意资源的比例。
Buhusi和Meck[16]提出了一个扩展的资源分配模型，认为时间信息加工和背景加工共享注意和工作记忆资源。该模型与以上三个注意相关模型最大的区别在于，以上三个模型认为非时间信息与时间信息加工只共享注意资源，而扩展的资源分配模型认为非时间信息与时间信息加工共享注意资源、工作记忆资源以及监控和分配这些资源。
在资源分配模型的基础上，Eagleman等[17]在神经层次上提出了一个能量模型，认为时距加工过程中消耗的能量越多，则知觉时距越长。
(三)记忆衰减模型
多重时间尺度模型(multiple time scale model，MTS)[18]是一个建立在感觉记忆痕迹衰减基础上的时间信息加工模型。刺激的记忆强度会以艾宾浩斯遗忘曲线的形式进行衰减，即开始衰减的速度快，随后衰减的速度逐渐减慢。图4为遗忘曲线用于测量时间的示意图。三条重叠的记忆痕迹为三个空时距。记忆强度以固定的方式衰减，当记忆的强度衰减到某一反应阈限时，便说明经历的一定的时间，故可以通过记忆痕迹强度的变化测量时间。反应阈限会伴随一定的系统噪音，因此对时距的反应会呈现标量性质[19]。
图4 遗忘曲线与时间测量示意图[19]
多重时间尺度模型没有假定存在特异的时间信息加工系统，而认为时间感是记忆衰减的副产品，已有研究提供了记忆痕迹衰减的生理证据[20-21]。右侧背外侧前额皮质的部分神经元的活动类似记忆衰减曲线，可能是工作记忆和时间加工的共同神经基础[22]。
(四)状态依赖网络模型
状态依赖网络模型(state-dependent network model，SDN)认为神经网络状态的变化反映了时间信息加工，Buonomano等[23-24]构建了一个神经网络模型来检验这一思想，该神经网络模型拥有许多分子和网络的特性，能够分辨毫秒范围的空时距，以及复杂的时空模式。神经网络的状态包括激活态(active state)和隐蔽态(hidden state)，这两种状态均用于编码听觉空时距[25]。时间信息加工是外部输入刺激与内部神经网络状态交互作用的结果[25-26]。SDN模型可以对一些实验结果进行解释，例如用两个极短声音刺激标记一个听觉的空时距，则第二个声音刺激所激活的神经群活动将表征这两个声音刺激间的时间间隔，通过比较第二个刺激的神经网络反应，可以分辨两个不同的刺激间隔(如100ms、200ms)。
二、时序知觉的理论模型
时序知觉是时间知觉的一个重要组成部分，反映的是个体对短暂时间内出现的客观事件顺序性的知觉。时序知觉包括同时性、非同时性和顺序性三种经验成分。当两个短促的声音不完全发生在同一个时刻，并且该间隔足够微小(如2毫秒)，则在主观上听到的仍然是一个声音。如果继续增大两个声音刺激的间隔，最终会达到一个阈限，超出该阈限就可以听到两次声音。该阈限即为由“同时”至“非同时”的同时性阈限。这个阈限因人而异，从2毫秒到5毫秒不等。刚刚能听到两次声音刺激时，并不能区分两次声音的顺序，继续增大两次声音刺激的间隔，直到可以区分两次声音的顺序。从“非同时”到“顺序”的阈限称为顺序阈限，顺序阈限约为30～40毫秒[27]。时序知觉的理论模型中，中枢计时机制和特定特征机制均假设加工器按照信息到达的先后确定其时间顺序；但是近年来出现了一种新的信息强度假设，认为刺激信号的强度也会影响时序知觉。
(一)中枢计时机制
中枢计时机制(central-timing mechanism)的观点认为，存在一个负责时间排序的中枢机制，能够比较任何感觉通道信号的到达时间，不受感觉通道本身的限制。中枢计时机制的理论模型主要包括一般阈限模型和两阶段模型。
早期的知觉潜伏期模型认为，时序知觉取决于每个刺激诱发的感觉信号到达中枢加工器的顺序，把时序知觉仅归于感觉信号到达中枢加工器的潜伏期差异。但该模型不能解释当两个刺激的时间间隔较小时，为什么不能区分它们的顺序。一般阈限模型(general threshold model)[28]在知觉潜伏期的基础上增加了时序判断的阈限成分，当两个感觉信号到达中枢加工器的时间间隔大于阈限时，才能判断它们的先后顺序。
两阶段模型(two-stage model)[29]认为在大脑中有同时中心和顺序中心，同时中心负责识别两个刺激是否连续，顺序中心负责确定两个刺激的先后顺序。在时序辨别任务中，两个感觉通道的信号首先到达大脑中的某一点，信号从这一点分别被传递到同时中心和顺序中心，中枢加工器先对同时中心的信息进行分析，如果两信号到达同时中心的时间间隔小于同时性阈限，则加工结束；如果两个信号到达顺序中心的时间间隔大于顺序阈限，能够记录到两个刺激的时间顺序；如果时间间隔小于顺序性阈限，但大于同时性阈限，则不能正确辨别刺激的顺序，这时个体会随机作出反应。
(二)特定特征机制
特定特征机制(feature-specific mechanism)[30-31]认为不同刺激属性的时序知觉差异是由不同感觉通道内的特定知觉机制引起的。特定通道内的特征觉察机制能够为刺激时序的辨别提供附加线索，成为时序知觉产生的依据。例如，在视觉通道内，两个不同颜色刺激的顺序阈限，与两个不同位置刺激的顺序阈限是不同的，位置的顺序阈限低于颜色的顺序阈限。两个刺激位置不同时，位置变化引起的似动可以作为时序知觉的线索。
(三)信息强度假设
以上的模型主要关注自下而上的加工，但是自上而下的加工也会影响时序知觉。当两个刺激同时呈现时，被注意的刺激会被知觉为先出现。McDonald等[32]发现被注意刺激诱发ERP成分的波幅增大，但潜伏期并没有缩短，说明注意增加了信号强度，但并未加速信息加工。McDonald等提出了信息强度假设，注意能够在视觉加工的早期阶段增加信号强度，在晚期的比较阶段会将信号强度的差异解释为计时的差异，因此诱发信号越强的刺激会被知觉为越早出现。
三、综合模型
综合模型指将时距知觉与时序知觉结合在一起考虑的模型，主要有层级周期振荡模型和时间认知分段综合模型。
(一)层级周期振荡模型
P
ppel等[33]提出了层级周期振荡模型(hierarchical periodic oscillation model)，该模型认为时间知觉受大脑中两个独立的时间加工机制控制。对时间顺序阈限的研究推测存在振荡周期为30ms的高频加工系统。连续呈现两个刺激，当这两个刺激落在同一振荡周期时，则不能区分它们的顺序；当两者落在不同的振荡周期时，则可以区分它们的顺序。对“知觉到的现在”的上限的研究确定了2.5～3秒周期的低频系统，该系统将几秒内连续事件整合为知觉的单元。
(二)时间认知分段综合模型
时间认知分段综合模型(range-synthetic model of temporal cognition)[34-36]吸收了目前时间认知研究的合理部分，并在一系列研究的基础上提出了研究时间的理论框架。该模型认为人类对时间的认知具有分段性，不同时距具有不同的表征，个体无论对哪一种时距的认知均受多种因素的影响，例如事件的数量与结构、通道性质和特点、时序和时点的性质、注意资源、编码方式、分段和提取策略、实验指标，以及个体的时间信念、情绪、疾病等。综合上述诸种因素才能对时间认知做出科学的解释。黄希庭等将时间认知分段综合模型应用于时间知觉的各个领域，提出了解释时距知觉和时序知觉的模型。
黄希庭和陈有国[5,37]提出了解释时距知觉加工机制的时间知觉双加工模型，图5为时间知觉双加工模型的神经回路示意图。该模型指出，时间知觉是状态性的，在非注意条件下为自动加工，在注意条件下包含自动加工和受控加工。时间知觉的自动加工是建立在感觉记忆加工的基础上的，无需运用注意，可以对时间信息进行自动的感觉分析、存储和比较，θ和α波在感觉加工区的同步振荡是自动加工的神经基础。而受控加工是建立在注意控制加工的基础上的，受意识的控制，可以分为增益感觉信息加工、抑制感觉信息加工、增益时间信息加工、时间信息的知觉加工和决策加工，其相关神经结构可以分为四个系统：θ和α波在感觉加工区的同步振荡构成了增益控制回路；θ波在辅助运动区、纹状体和丘脑的同步振荡构成了编码加工回路；β和γ波在前扣带皮质、前额皮质和后顶皮质同步振荡构成了工作记忆回路；θ波在前额皮质、纹状体、丘脑和内侧颞叶的同步振荡构成了长时记忆回路。
图5 时间知觉双加工模型神经回路[5]
MT-中颞区，MST上内颞区，IT下颞区，PFC-前额皮质，SMA-辅助运动区，PPC-后顶皮质，MTL-内侧颞叶，ACC-前扣带皮质
黄希庭和张锋[38-40]提出了解释时序知觉重复启动效应的双加工表征匹配调节模型。时序知觉的重复启动效应指被重复启动的靶刺激在时序判断任务中被知觉为先于未启动靶刺激出现的现象。图6为双加工表征匹配调节模型的示意图，该假说有两个要点：一是启动图形的加工包含了两个加工过程，即表征激活过程和反应抑制过程；二是这个双加工过程对时序知觉的影响是通过表征匹配环节进行调节的。如先出现的靶刺激与启动刺激的表征相匹配，则反应抑制加工会继续下去，抑制对该刺激的知觉加工，从而把启动的刺激判断为后出现的，即发生了重复启动效应的反转；如先出现的靶刺激与启动刺激的表征失匹配，则反应抑制加工会减弱，而留存的启动刺激的表征激活加工会易化对被启动的刺激的加工，从而把启动的刺激判断为先出现的。
图6 双加工表征匹配调节模型[40]
四、展望
近30年来，时间心理学的发展与认知神经科学的诞生有密切的关系。心理学与脑科学的结合诞生了认知神经科学，脑成像技术的应用使这一领域得到了飞速的发展。时间问题也得到了心理学家、哲学家、神经科学家、计算机科学家以及其他领域科学家的广泛关注。当前时间知觉的研究呈现出几个重要的发展趋势：
(一)探明时间知觉与意识的关系
意识起源是当今世界的四大科学难题之一。有关意识的研究大多是视觉空间认知领域开展的，空间维度的“有限性”与“整合”问题是意识研究的基本问题。意识在空间维度的“有限性”指意识类似于选择性注意的“探照灯”，探照灯之内的客体是处于意识的，探照灯之外是无意识的。现代认知神经科学关于捆绑问题的研究回答了意识如何在空间维度对信息进行整合。
与视觉空间维度类似，时间维度也存在意识的“整合”和“有限性”问题，这两个问题是时间知觉研究的基本问题。时间的“整合”指大脑如何在时间维度上将事件进行整合，从而提取出时间信息。这与视觉意识研究中空间维度的捆绑问题类似。在时间维度上对事件进行捆绑，涉及对事件及其时间关系的表征，要回答这一问题，需要将时序、时距和时点三个属性统一起来进行多维度的研究[35]。时间的“有限性”指人脑对事件进行整合的最大时限是多长，最大时限是由什么机制决定的，人脑能够在一定的时间范围内，将事件整合为主观的“现在”，“现在”的时限就是意识的限度[27]。正如空间维度的意识类似于被模糊事件包围的“亮点”[41-42]，时间维度的意识也可能没有清晰的时限，是在时间维度上被模糊事件包围的“亮点”。时间知觉的研究将为探讨意识的特点和功能提供崭新的研究视角。
(二)扩展时间知觉的应用领域
时间知觉的研究不仅仅着眼于基础理论的探讨，其方法与结果可以应用于多个领域，比如在医学方面可以用于帕金森病(Parkinson's disease，PD)的早期甄别、评估治疗效果，在航天领域可以测量和改善航天员的时间知觉能力等等。
中国正在逐渐进入老龄化社会，更多的老年人会受到帕金森病的威胁。帕金森病是一种常见于中老年人的中枢神经系统变性病，该疾病的初期表现为运动功能障碍，随着病情的发展可能导致抑郁和痴呆。由于该病起病缓慢，是逐渐发展的，因此对该病的早期甄别显得尤为重要。帕金森病人的时间信息加工能力存在严重的障碍，其原因在于帕金森病人黑质—纹状体区内多巴胺神经元的死亡、缺失[43]。如果在帕金森病人完成时间知觉任务的同时记录其脑电数据，可以获得反映其神经结构状况的特定信息。因此，时间知觉任务可以发展成为甄别早期帕金森病人、评估治疗效果的一套标准化的方法。
航天技术是一个国家现代技术综合发展水平的重要标志。由于各国宇航员在太空中的时间越来越长，许多宇航员的时间知觉出现了一定的误差，导致航天员和地面飞行控制人员的意见不合。良好的时间知觉能力是避免航天事故的重要因素，因此有必要将时间知觉能力作为挑选航天员的指标之一。此外，时间知觉能力既与个体的先天因素有关，也与注意、执行控制等能力有关。在宇航员的日常训练中，可以通过一定的认知策略改善时间知觉能力，从而在太空中能够自我调整，保持最佳的身心状态，避免事故发生。
(三)多学科的交叉融合
多学科的交叉融合是心理学研究的趋势，也是时间知觉研究的趋势。心理学和神经科学是时间知觉研究的核心学科，心理学从自上而下的角度研究时间信息加工的特点，神经科学则从自下而上的角度探讨时间信息加工的神经基础。此外，运动科学、音乐学、美学、管理学等学科都会面临时间知觉的具体问题。例如，在音乐学中，为什么人会有美妙乐音的感觉？这种美妙的感觉是如何由音符的顺序、时距和节奏产生的？不同领域的研究可以相互佐证，也存在相互矛盾的地方，如果不对各个领域的研究成果加以整合，就会迷失在数据的海洋中。计算机科学可以通过建立计算机模型，将这些学科的研究加以整合，找到时间知觉与脑之间的本质关系。
(四)多方法的有机结合
新理论往往伴随着新的研究方法。时间知觉的研究可以分为基因—细胞—组织—功能—行为五个层次，在不同的层次可以采用不同的研究方法。在基因层次，可以采用遗传控制的方法，对果蝇和老鼠进行选择性的培育，从而确定时间知觉与基因表达的关系；在细胞层次，单细胞记录是最为重要的一项技术，对于猴子的单细胞记录研究可以揭示计时行为与神经细胞放电的关系；在组织层次，可以采用同时记录多个神经元活动的多细胞记录技术；在功能层次上，功能性磁共振成像和脑电图技术分别具有毫米级的空间分辨率和毫秒级的时间分辨率，可以探明时间知觉相关脑结构的功能连接通路；在行为层面上，认知心理学提供了有效的研究行为的方法(如反应时技术)。这些研究方法也是不断发展的，例如，独立成分分析(ICA)、主成分分析(PCA)和时频分析等技术越来越多地出现在脑成像研究领域。同时，这些方法均存在着自身的优点与缺点，将其合理地加以应用，才能有助于我们逐渐揭示时间的本质。