认知神经科学笔记之物体识别

当个体对物体颜色、形状和动作的加工正常，而却无法给物体命名，称为“失认症”。一个曾发生卒中的个体G.S，在实验中能够准确地描述出呈现的锁的形状，可却始终无法说出这是一个“锁”。由此可见，知觉与识别并不是一回事，知觉是将各种感觉通道的信息整合在一起并进行一些复杂的加工，而识别可能更多地要将知觉到的信息与记忆中的内容相匹配（也就是说，识别会引发记忆）。

Part 1 视知觉的两条皮质通路

视知觉的两条皮质通路，一条是腹侧（枕颞）通路，负责物体知觉和识别（即“是什么”）；另一条是背侧（枕顶）通路，负责判断物体的空间位置以及分析物体的空间结构（即“哪里”）。

Kohler等人对腹侧和背侧的两条通路进行进一步的研究：用PET进行研究，每次给被试呈现两幅图，在辨析位置的任务中，要求被试判断两幅图物体的位置是否相同；而在识别物体的任务中，两幅图的物体可能发生了变化，要求被试判断两幅图物体是否相同（无关因素，如位置任务中两幅图的物品是否一样、识别任务中两幅图的物品位置是否一样，都是随机的）。实验后，直接比较两个任务的PET数据，将两个人物相似反应的区域减去（除开辨别位置和识别物体被激活的区域，其他如知觉所激活的区域便被剔除了），留下的图像显示：位置任务中，右半球顶叶局部血流量高，而物体识别任务中枕叶和颞叶的连接处的双侧局部脑血流量高。这个结果再次证实了背侧和腹侧的区分。

另外，对另一个失认症个体D.F.的研究发现，背侧和腹侧通路的差异还表现在对识别的知觉和对运动的知觉的差异上。D.F.在知觉三维物体的实验中，不同任务有不同的表现：任务一让D.F.看一个中间切有凹槽的木块，让她试着用一张纸匹配凹槽（不是直接放置到凹槽，只是通过眼睛来判断怎样摆放纸张会契合到木块的凹槽）；任务二让D.F.把卡片直接插入凹槽。结果发现，任务一，D.F.表现出无法匹配卡片和凹槽的方向，而在任务二中，她能够成功地将纸插入凹槽。不难发现，任务一是一个外显任务，即参与者有意识在其中，需要用意识来判断纸能不能放入凹槽，而任务二是动作任务，参与者或是无意识地将纸插入凹槽（参与者不用刻意去辨识方向）。而后，结构性MRI成像显示D.F.的侧枕皮质和腹侧通路双侧受损（侧枕皮质是物体和形状识别的重要区域），而腹侧通路负责“物体识别”，背侧通路负责“动作视觉”，D.F.的脑损伤只破坏了她的物体识别功能。这个例子恰好说明了“什么”和“哪里”通路是分离的（在这里，“哪里”对于确定不同物体的位置并指导与物体互动不可或缺）。

与D.F.症状相反的是视觉性共济失调症，这类患者能够识别物体，但是不能够运用视觉信息指导运动（如能够在不行动的情况下将纸张和凹槽匹配，但是让他真正地去将纸张放入卡槽他却无法办到）。

 

Part 2  物体识别理论

知觉具有恒常性，物体识别同样也具有恒常性（例如，给我们呈现不同视角下的汽车的图片，我们依然可以将其识别为汽车而不是不同的物体）。然而，感觉信息具有非常大的变异性：感觉信息随着观看位置的变化而变化（看的视角变化或物体方向变化，呈现在视网膜上的图像就会不一样）；物体照度变化影响感觉信息（特别明亮的时候看物体和特别暗的时候看物体，视网膜上的图像由于对光线敏感的感光细胞不一样而产生差异）；感觉信息往往是整体的（我们很少孤立地看外界，如过马路时我们很少会只看到斑马线而看不到在一旁的汽车）。这就意味着，我们对物体的识别需要克服这三个变异。

于是，不同研究者提出了我们识别物体的两种理论：参照框架理论（视角依赖理论）和视角不变理论。

参照框架理论指出，我们识别物时的知觉需要依赖特定的视角，而我们的记忆中贮存着许许多多的特异性表征，我们识别物体的过程实际上就是将知觉到的物体和记忆中存储的表征相匹配的过程（比如，我们看到桌面上放着的黑色扁平物体，我们将视觉上接收的信息和记忆中的物体表征匹配，最终识别该物体为“笔记本电脑”）。不过有研究者指出，参照框架理论有缺陷：我们人如果有非常多的记忆表征，那进行物体识别的过程应当会非常低效，且不能解释我们是如何识别我们从未见过的事物的（记忆中未储存的表征）。

视角不变理论指出，我们识别物体的过程是这样的：首先，分析感觉信息中事物的基本特征，之后在基本特征分析的基础上对物体的其他特征进行分析进而通过推理来识别物体（例如，我们之前从未见过笔记本电脑，但通过对这个黑色扁平物体的基本特征进行分析：有键盘、屏幕、鼠标，推理出该物体是电脑）。

在fMRI的研究里，研究者指出，我们大脑识别物体可能同时兼用了两种策略：相同视角和不同视角呈现物体（刺激物）时，左侧腹侧枕皮质都发现了重复抑制效应（重复抑制效应指当刺激重复出现时，第二次呈现时的BOLD反应比第一次呈现时的低，即某刺激最近被激活过对该刺激的再次反应会更快、更高效），这证实了视角不变理论（即便视角改变，我们依然可以通过基本特征对刺激做出更高效的识别）；而右侧腹侧枕皮质只有在相同物体呈现的第二次是相同视角的情况下才会出现活动降低，证实了参照框架理论（将看到的物体与记忆中的表征相匹配）。

 

再细致一些，对于物体识别的理论还涉及形状识别。知觉层级理论认为，我们识别物体的过程是层级递进的，我们首先会加工初级特征，后再加工这些初级特征的关系。比如，箭头和三角形都是由三根线组成的，我们首先识别的是线条，之后大脑加工线条之间的关系（如，三角形是三根线围成一个封闭区域）进而识别不同的图形。

而关于物体识别的认知神经机制，同样也有两种假设。

祖母细胞假设：祖母细胞用于表示一些知识单元只对某人的祖母兴奋，后用于形容识别复杂物体的神经元（也叫知识单元，只对已经整合好的知觉信息进行反应）。祖母细胞假设同样也有无法解释人可以识别新异刺激的缺陷，不仅如此，该假设还无法解释“当祖母随着岁月流逝而发生生理变化”时细胞如何再识别祖母。

集群理论：该理论认为，识别并不是单个单元的作用，而是许多单元的集体激活（如识别祖母时，我们不是对祖母这个整体进行的加工，而是将祖母的不同特征进行分析最后推理出“她是祖母”）。集群理论可以解释为何我们常常会将相似的物体混淆，相似物体呈现时，我们的多个相同的神经元都被激活了；同样，该理论也能够解释我们如何识别新异刺激：新的物体与熟悉的物体的相似处会激活表征相似特征的单元，从而使我们产生新异物体的知觉。

 

Part 3 物体识别困难

当我们能看到东西却无法说出其名字或功能，便可以称为“视觉失认症”（可以通过听觉或触觉来辨识物体）。不过需要注意，视觉失认症并不是感觉能力损伤引起的，比如盲人不能够将视觉信息与头脑中贮存的知识相联结是因为盲人缺乏视觉输入。视觉失认症是有视觉信息加工（能看到东西）但是却依然无法识别物体的障碍。

 

在现有的文献中，失认症多分为两类：统觉性失认症和联络性失认症。

统觉性失认症与腹侧通路病变有关，主要表现是物体恒常性被破坏：正常人既可以在常见视角辨认出物体，也可以在阴影、其他视角辨认出该物体，而统觉性失认症患者只能在一般视角识别物体，一旦角度改变或出现阴影便无法识别（也就是说，如果识别物体需要从物体的某些特征中推理或抽象出该物体，他们就无法识别）。比如，正常人可以在正对着手机的情况下识别手机，也可以在侧面视角（水平视角，此时手机是一条粗粗的线）识别手机，而统觉性失认症患者无法在侧面视角识别手机。

联络性失认症指的是“能够提取正常视觉表征但不能用该信息识别物体”的一种障碍，其表现是可以辨识出两个相同的物体，但是不能够说出两个物体的功能（能够辨识两张图片中的物体是相同的，但是不能理解物体的用途）。联络性失认症是识别物体意义的功能受损。

联络性失认症的研究中，有人指出，这种失认症具有范畴特异性：只对某些范畴的物体识别具有障碍，失认症来源于范畴特异性损伤，是一种局限于某些类物体的物体识别障碍。支持该假说的实验研究是对生命物体和非生命物体识别的探索：有些患者对生命物体（如小鸟）的识别要比非生命物体（如剪刀）的识别更容易；有些患者则相反。

另外，也有人指出生命和非生命物体识别的其他解释：我们对非生命物体有更好的识别能力是因为在实验中，很多非生命物体是人造的，而人造物体对人而言，具有动觉表征（比如，看到剪刀时，我们会激活“如何使用剪刀”的动作记忆或想象），使得非生命物体不仅仅会启动视觉知识还会启动动觉知识；而生命物体很多只能通过视觉信息来识别（我们并不能实实在在地认识到大多数动物的动作）。综合来说，识别非生命物体多靠功能语义信息，而识别生命物体更多依靠视觉信息。神经成像技术对神经元活动的研究支持了这种解释：当我们看人造工具的图片时，会引起与运动计划有关的左侧腹运动前区激活。

使用计算机模型对范畴特异性损伤进行研究，得出两种假说：范畴假说和特征假说。范畴假说认为语义信息是根据我们对世界的范畴划分进行组织的（比如生命物体、非生命物体）；而特征假说则认为语义信息是根据物体的特征组织的（如物体颜色、形状）。而语义系统是通过视觉图像形成的视觉信息和言语名称形成的功能性语义信息二者联系共同起作用的。

 

关于物体识别障碍，Warrington提出了物体识别的解剖学模型：物体识别有两个阶段，第一个阶段是知觉的，识别的是物体的知觉表征（如视觉上“看”到两个物体是相同的，听觉上“听”到两个物体是相同的），主要依靠右半球；而第二个阶段是语义分类，将第一阶段的知觉表征与语义知识（如该物体是什么、有什么功能）相联系。但该模型无法解释整合问题（一些患者只能通过物体的一些突出特征识别物体，而不能靠对物体的整体知觉识别物体）。

 

Part 4 面孔知觉

面孔失认症是指不能直接归因于智力功能退化的面孔识别能力缺陷。从进化心理学的角度出发，人在一步一步演进的过程中，面孔的重要性逐步提升，我们透过面部可以辨别人、可以获悉对方的情绪等重要的信息。于是，大脑可能会发展出特定的区域用于加工面孔信息。

在对面孔知觉的研究中，给恒河猴呈现面孔图片（猴子的面孔图和人类的面孔图）以及一些具有面孔特征的其他图片（如对称的图形、圆形图案），观察脑部活动，发现面孔知觉和颞叶梭状回的一个区域有关（梭状回面孔区）。而人在看自己时（自我知觉）则与右侧大脑边缘系统有关。

但也有研究者指出，并没有一个特别用于识别面孔的脑区，面孔识别只是在更加精确的水平上进行加工（要识别人脸需要对人脸进行精确分析）。该说法指明，识别面孔和识别物体是同一性质的，只不过面孔识别是范畴内（都是人的脸）的，而物体识别往往是范畴间（不同种类的物体）的。而后，有人用面孔倒置效应反驳了这个观点。面孔倒置效应，是指当我们看倒置的面孔时，很难识别出面孔是否“正常”（比如在倒置的面孔中将女性的嘴唇也倒置，人很难看出面孔的“奇怪之处”）。这说明加工面孔时和识别物体是不一样的机制。

Part 5 物体识别的双系统模型

除开前边提到的面孔失认症，失读症也是一种识别障碍：能够理解别人口头的话语、也能够说出话语、写出文字，但是阅读文字时无法知道文字表达的是什么。面孔失认症和失读症往往不是单独发生的，两种认知障碍都伴随物体识别障碍。

关于面孔失认症和失读症，两种加工理论非常具有解释力——分析加工和整体加工（分析加工多与左半球有关，整体加工与右半球有关）。在辨识面孔的过程中，虽然也有对面孔局部的信息进行加工，但更多的是对面孔的整体进行加工（识别面孔时，我们更多的是识别整个面孔，而不是通过某个部分如鼻子来识别人）。而阅读的过程中识别单词更多的是部分加工（我们需要将单词中的字母识别，将字母串分解成部分）。面孔失认症患者可以识别单词，但是无法通过字迹识别写下单词的“作者”（因为字迹分析是整体加工，而不是部分加工）。

 

Part 6 视知觉、表象和记忆

在神经心理学的研究中，让被试通过看刺激而完成任务和让被试通过想象刺激来完成任务的两个不同加工过程，发现视知觉和视觉表象具有一样的神经机制：不论被试是在看真实的刺激，还是想象刺激（二者为同一刺激），都会激活相应的脑区（初级视皮质区域血流量增加）。

但是知觉障碍并不能够完全等同于表象加工也会出现障碍：有研究发现，物体识别障碍的患者，能够用表象识别物体（即在呈现真实物体时无法辨别，但是让他想象或回忆物体时，却能够区分）。

另外，关于视知觉和记忆，如果个体失去了视觉输入（如致盲）或患上失认症，随着时间的流逝，个体的视觉知识（相关记忆）也会慢慢消失：对比患者卒中4年后和14年后的画作会发现，14年后的画作变得更差了（原先的视觉知识丧失了）。