作者：刘练红，刘旭峰，吕静，苗丹民，皇甫恩，邵永聪
【关键词】 心理旋转
【Abstract】 AIM: To observe the changes of P300’s latency and amplitude when stimulated by Chinese characters. METHODS: The reaction time， error rate and eventrelated potentials (ERP) were recorded when 8 healthy male college students were tested by mental rotation task. RESULTS: With the increase of the rotation angle from 0° to 180°，the amplitude of P300 in parietal changed from （1501±256） μV to （1191±201） μV. The latency of P300 changed from （450±38） ms to （566±54） ms. CONCLUSION: Stimulated by unbalanced Chinese characters with the increase of rotation angle，the amplitude of P300 becomes more negative and the latency of P300 prolongs.
【Keywords】 mental rotation; event related potentials，P300; latency peviod(psychology);reaction time
【摘要】 目的： 探讨以汉字为刺激图片进行心理旋转时的事件相关电位P300的波幅和潜伏期的变化.方法： 8名健康男性大学生完成以汉字为刺激的心理旋转任务时，记录反应时，错误率和事件相关电位波形. 结果： 随着刺激图片0°旋转至180°，脑部顶点Pz点P300波幅从(1501±256) μV变化为(1191±201) μV;潜伏期从(450±38) ms变化为(566±54) ms.结论： 以汉字为刺激图片进行心理旋转时，P300波幅随旋转角度的增加而负向漂移，潜伏期随旋转角度增加而延长.
【关键词】 心理旋转；事件相关电位，P300；潜伏期（心理学）；反应时间
0引言
心理旋转测验是测量空间视觉化的代表性测验［1］，以字母和空间立体图形为刺激的心理旋转能力研究从20世纪70年代就开始了.Shepard及其同事研究得出，随着旋转角度的增加，反应时(Reaction Time， RT)线性增加［2，3］. 心理旋转的事件相关电位研究最初是Wijers等［4］1989年开始的，研究认为在心理旋转过程中，顶叶区域出现明显的P300，且随着旋转角度的增加， P300波幅减小.喻柏林等［5］曾对单个汉字的心理旋转做过行为学研究，他们把字的识别与字的表象旋转相结合，研究结果发现，倾斜方向对于字的识别无影响，旋转角度从0°增加到135°倾斜范围内，反应时随倾斜角度的增加直线地增加，这与其他研究者用不同视觉刺激所获心理旋转的结果总的趋势是一致的［6］.也就是说，倾斜汉字的识别也同样经历了一个心理旋转过程.但是对以汉字为刺激的心理旋转的研究还仅限于行为学的阶段，采用电生理学的方法的研究还未见报道，因此我们选择独体的不对称汉字“司”为刺激图片，在被试完成心理旋转任务时，记录其大脑皮层诱发电位，分析P300 随旋转角度的变化规律，观察脑地形图的变化，以期从脑功能成像方面对汉字的心理旋转进行研究.
1对象和方法
1.1对象
8名医学本科男性学员，19~21岁，平均206岁.裸视或矫正视力达到正常，均为右利手.签署知情同意书.
1.2材料和方法
1.2.1材料
正立的和镜像的汉字“司”，分别旋转了0°，60°，120°，180°，240°，300°，其中0°等同于360°.图片的背景为黑色，汉字呈现为白色.根据旋转角度和正、镜像，将刺激分为12种类别，由脑诱发电位工作站的STIM40呈现.根据前人研究结论［7］，旋转60°与300°、120°与240°在反应时和正确率均没有显著差异，因而在实验结果分析时，分别将他们按同类型处理. 60°，120°，180°，240°，300°的刺激图片呈现30次，0°和180°的图片呈现60次，这样按照每个刺激角度分类，每种类型叠加次数为60次，实验共呈现480张图片.刺激呈现直至被试按键反应，为消除反应定势，刺激间隔ISI为05 s至15 s之间，由计算机随机选取.具体图片如下：
1.2.2指导语“下面将在显示器屏幕上蓝色‘*’的位置出现经过一定角度旋转后的汉字‘司’，有正立的，也有左右镜像的，请你在准确的前提下尽快判断它们是正立的还是镜像的.如果是正立的，请你用左手拇指按反应键盒上的1键，如果是镜像的，请你用右手拇指按反应键盒上的4键.实验过程中，尤其在刺激图片出现时尽可能避免眨眼动作与吞咽动作，尽量保持身体不要有任何运动.刺激图片显示的间隔期，请注视蓝色的‘*’，不要四处张望.实验开始后大约5 min左右，屏幕上会出现‘have a rest’的画面，这时，你可以稍事休息，可以眨眼，活动四肢.休息结束后，按键盒上的任意一个键，继续实验.实验共分4段，中间有3次休息.明白了吗？如果明白请准备好，我们开始实验.”
1.2.3实验过程本实验采用美国NeuroScan公司生产的ESI32导ERP工作站.用国际标准1020系统电极放置法安置电极［7］： 利用Ag/AgCl电极帽记录被试进行反应时的EEG；记录垂直眼动与水平眼动；采用前额接地，左右乳突为参考.脑电增益为500，采样频率为500 Hz，带通滤波为01~30 Hz.电极与头皮接触电阻&<5 kΩ.
连续记录原始脑电，离线式叠加处理.融合行为学数据，自动排除眼电伪迹. Epoch时程为-50 ms～1000 ms，以-50 ms至0 ms的平均电压均值为基线，对所有的电极采集的脑波进行基线校正.按角度分类进行叠加平均，选择被试正确的刺激反应，错误的反应不参加叠加，得到各被试的ERP波形后，测量所需的参数，然后进行总平均，形成总平均图，并生成相应ERP地形图.
统计学处理： 统计学分析用SPSS(Statistical package for the social science)/PC(版本110)统计分析软件包(SPSS Inc， USA).结果以 x±s表示，采用随机区组设计方差分析.P&<005表示有显著性差异.
2结果
2.1反应时与旋转角度之间的关系探查刺激分为正像与镜像两种，正像不同旋转角度反应时的方差分析，结果存在显著差异(F=8341， P&<0001)；镜像不同旋转角度的反应时方差分析，结果同样存在显著差异(F=4522， P=001)，采用LSD方法两两比较结果见Tab 1.表1正像和镜像刺激旋转不同角度反应时的方差分析结果（略）
从实验数据可见，从0°到180°无论探查刺激为顺时针还是逆时针旋转，无论是正像或者是镜像，反应时均随旋转角度的增加而增加，在180°时为最大.
2.2ERP数据潜伏期和波幅与旋转角度的关系因各旋转角度正像和镜像汉字的反应时无差异，因而在分析ERP数据时，将各旋转角度的正镜像合并.在脑部顶点Pz和中央点Cz所诱发出的P300指标测量后进行统计学比较，结果见Tab 2.正、镜像汉字旋转后8名被试P300总平均图见Fig 1. ERP地形图见Fig 2. 表2不同旋转角度Pz、Cz点的P300潜伏期和波幅（略）
Tab 2，Fig 1结果可见，无论是正像刺激还是镜像刺激，均发现随着旋转角度的增加，P300潜伏期延长，波幅下降，存在明显的负向漂移.Fig 2 ERP地形图可以看到右侧顶叶的正电位出现在大约350 ms左右，逐渐扩散至整个顶部，至750 ms左右时消失.持续时间要比字母刺激的时间稍长.
统计结果表明，Pz各角度的潜伏期比较存在统计学显著差异(F=14340，P=0000)；Cz点各角度的潜伏期比较差异不明显(F=1508，P=0234)；各角度波幅比较存在统计学显著差异(Pz，F=3097，P=0043；Cz，F=3659，P=0024).
不同旋转角度P300潜伏期两两比较结果发现： Pz点旋转0°与旋转60°，旋转120°和旋转180°无统计学显著差异，其他各旋转角度之间比较均存在统计学显著差异(0°~120°， P=0001， 0°~180°， P=0001， 60°~120°， P=0001， 60°~180°， P&<0001)；Cz点各旋转角度两两比较无统计学显著差异.
不同旋转角度P300波幅两两比较结果发现： Pz点旋转0°与旋转120°，旋转0°与旋转180°存在统计学显著差异(0°~120°，P=0024，0°~180°，P=0011)，其他各旋转角度比较均无统计学显著差异；Cz点旋转0°、旋转60°、旋转120°均与旋转180°存在统计学显著差异(0°~180°，P&<0001，60°~180°，P=0001，120°~180°，P=0006)，其他各旋转角度比较均无统计学显著差异.镜像刺激条件下，Pz点各旋转角度比较均未发现统计学显著差异；Cz点旋转0°、旋转60°与180°间存在统计学显著差异(0°~180°，P=0004，60°~180°，P=0021)，其他各旋转角度比较均未发现统计学显著差异.
3讨论
对汉字的心理旋转的研究，我国做的较多的是旋转汉字的识别的研究，主要是采用行为学的方法，计算反应时和正确率，还未见ERP对汉字心理旋转的研究.从反应时与旋转角度的关系来看，随着旋转角度从0°到180°增加，反应时线性增加.这与以字母和图形为刺激的心理旋转的结论相同［2，3］.
P300的潜伏期在Pz和Cz两点均表现出来随着旋转角度的增加而延长，在Pz点达到统计学显著差异.这一现象说明被试在加工不同旋转角度的刺激时，随角度的增加，所需的加工时间延长，这和同时记录的行为学数据相吻合.且从行为学数据中可以看出这种变化存在明显的线性增长关系. P300的波幅在Pz和Cz两点均表现为随着旋转角度的增加，波幅降低，负向漂移，且均达到统计学显著差异.提示随着角度的增加，被试的加工深度增加，心理负荷量加大，运用了更多的心理资源.
从ERP地形图可以看出，在300 ms左右时，右侧顶叶开始出现微小的正电位，正电位增强的同时向左侧扩散，逐渐扩散至整个脑部顶区，在600 ms左右时达到最大值.刺激图片旋转0°时的ERP地形图与旋转180°时的比较可见，旋转0°时的正电位高于旋转180°，且这个正电位出现的时间也早于旋转180°.这个结果与PET和fMRI对空间能力的研究相一致.
通过以汉字为刺激图片对心理旋转的研究，我们发现，变化刺激图片的类型，不会对心理旋转与P300的波幅改变之间的功能联系产生影响.以单独的汉字为刺激图片，随着旋转角度的增加，波幅负向漂移，潜伏期延长.
【
参考文献
】［1］ Just MA， Carpenter PA. Cognitive coordinate system: Accounts of mental rotation and inpidual difference in spatial ability ［J］.Psychol Review，1985；92:137-172.
［2］ Shepard R， Metzler J. Mental rotation of threedimensional objects ［J］.Science，1971;171:701-703.
［3］ Shepard R， Cooper L. Mental images and their transformations［M］.Cambridge MA: MIT Press，1982: 26-90.
［4］ Wijers A， Otten L， Feenstra S， et al. Brain potentials during selective attention， memory search， and mental rotation ［J］.Psychophysiology， 1989；26(4): 452-467.
［5］喻柏林，李朝晖，张蜀林.复杂性对倾斜汉字识别的影响［J］.心理学报，1995;27(4):337-343.
Yu BL， Li ZH， Zhang SL. The effect of the complexity on the identification of inclined Chinese characters［J］.Acta Psychol Sinica， 1995；27(4):337-343.
［6］ 刘练红，皇甫恩，苗丹民，等.心理旋转测验的效标关联效度［J］.第四军医大学学报，2004；25(1):85-87.
Liu LH， Huang FE， Miao DM， et al. Criterion related validity of mental rotation test［J］.J Fourth Mil Med Univ， 2004；25(1):85-87.
［7］ Cooper LA. Demonstration of a mental analog of an external rotation［J］. Percep Psychophys， 1976；7:20-43.
［8］ 尧德中.脑功能探测的电学理论与方法［M］.北京： 科学出版社，2003:1-35.
［9］ 张积家，王惠萍，张萌，等.笔画复杂性和重复性对笔画和汉字认知的影响［J］.心理学报，2002；34(5):449-453.
Zhang JJ， Wang HP， Zhang M， et al. The effect of the complexity and repetition of the strokes on the cognition of the strokes and the Chinese characters［J］.Acta Psychol Sinica， 2002；34(5):449-453.
［10］ 吴冰，孙复川.旋转汉字识别的眼动特性［J］.心理学报，1999;31(1):7-13.
Wu B， Sun FC. Eye movements during recognizing rotation Chinese character［J］.Acta Psychol Sinica，1999;31(1):7-13.转贴于