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摘 要 外界环境中物体位置与空间关系在记忆中如何表征,一直是空间认知研究领域探讨和争论的热点问题.该文从空间表征的参照框架、朝向特异性、组织结构和存储内容四个方面,系统回顾了近年来对空间表征形成机制与内在特征的理论探讨.在此基础上,进一步讨论了当前空间表征研究中存在的生态效度问题,以及以后将虚拟环境技术引入到空间认知研究中的发展趋势.
关 键 词 空间表征,空间参照系,朝向特异性,路径知识表征,结构知识表征.
分类号 B842
物体位置与空间关系在记忆中的心理表征,已经日益成为当前许多学科关注的热点问题.深入理解外界环境信息形成空间表征的认知机制与特征,不仅可以增进对人脑空间记忆和空间巡航能力的认识,而且在城市交通与应急逃生系统的规划、复杂人机系统交互界面的设计,以及智能机器人自主巡航系统的开发等方面也有着重大的应用价值.
近年来,随着功能磁共振成像（fMRI）和虚拟现实（virtual reality, VR）技术的应用,人们对空间表征的研究逐渐从认知行为表现[1~3]延伸到神经生理水平[4,5],研究范围也从简单的实验室人工环境[6,7]逐步扩展到较为复杂的自然环境（如校园、公园和城市等）[8]和虚拟环境 [3,4,9].研究视角涵盖了空间表征的参照框架、朝向特异性、组织结构、表征形式、存储内容、机器模拟以及神经机制等各个方面.本文将从其中四个重要方面,系统回顾近年来对物体位置与空间关系的心理表征的探讨与争论,并对其进行简单评价.然后,在总结已有空间表征研究的主要轮廓与初步结论的基础上,结合当前研究中存在的相关问题,对以后空间表征研究的趋势进行了简单的讨论.
1.空间表征的参照框架：自我参照系表征与环境参照系表征
环境中物体的位置和空间关系总是相对于特定空间参照框架（如经纬度坐标系、笛卡儿坐标系或者极坐标系等）来确定的,空间记忆中物体位置与空间关系的心理表征也同样需要选择特定的空间参照系.Klatzky[10]和Newbe[11]将表征物体位置与空间关系的参照框架分成两类：自我参照系统和环境参照系统.在自我参照系表征（egocentric representation）中,物体的位置是相对于观察者（如眼睛、头和躯体等）来表征的,随着观察者的运动,空间表征也在不断的更新.而在环境参照系表征（allocentric representation）中,物体的位置是相对于环境中其他物体（如标志性建筑、主要道路等）来表征的.自我参照系表征强调物体的位置表征是瞬间的而且不断更新的,物体之间空间关系不是直接表征在记忆中,而是通过物体相对于观察者的位置计算出来的.环境参照系表征则认为,物体位置与空间关系都被表征在记忆中,而且是持久和稳定的.
Wang和Spelke认为,物体位置在记忆中是以自我参照系来表征的[2,12].在其中一项系列实验研究中,被试首先学习房间中六个物体的位置,然后分别在自主转动、迷向（disorientation）和重新定向（reorientation）条件下完成物体位置指向任务.结果发现,与自主转动和重新定向条件相比,被试在迷向情况下对物体空间结构关系的提取准确性明显变差.他们由此认为被试形成的是基于自我参照系的空间表征,因为在自主运动过程中,被试可以较为准确的更新物体相对于自己的位置表征.而在迷向情况下,这种动态更新过程因为自我朝向感的丧失而中断,因此被试不能再依靠动态更新的自我参照系表征来完成位置指向任务,从而造成指向错误和物体空间结构关系错误（configuration error）的增加.关于物体与环境参照系的关系,虽然他们认为个体可以形成对环境几何信息（environmental geometry）的表征,而且这种表征对于重新定向非常重要[13],但他们却认为个体并没有形成相对于环境参照系的物体之间空间关系的表征.
在对半侧忽略症（hemisphere neglect）病人的实验研究中,也发现了支持物体位置自我参照系表征的证据.比如,某些类型的半侧忽略病人总是忽略（觉察不到）其左侧的物体,但其对左右空间的划分却是随着头、眼睛或者身体的转动而相应变化 [14].Graziano等人也发现,在额叶腹侧前运动区存在着基于肢体的空间信息参照框架.在这个框架中,视觉―触觉双模神经元的视觉感受野随着肢体或面部的移动而相应变化[15].这表明,至少在知觉层次上,存在着以自我为参照系的空间表征.
McNamara及其同事的研究则认为,环境中物体位置与空间关系是以环境本身的内在参照系（intrinsic frames of reference）来表征的[1,16~18].Mou和McNamara的研究成功地分离了场景本身的内在参照系与观察者视线对物体位置与空间关系表征的影响,提供了个体可以形成非自我中心的（non-egocentric）空间表征的实验证
表征方面有关论文范文
物体位置与空间关系相对于环境参照系来表征,也获得了认知神经科学研究的实验支持.如在Ekstrom等的研究中,结合虚拟环境和单细胞记录技术,他们发现,只要被试到达虚拟城市中的特定位置,集结于海马和海马旁回的“位置神经元”（place cells）就会有剧烈放电反应,而且不受被试面朝哪个方向的影响[19].Burgess和O’Keef高度评价了这个研究发现,并将其作为有力证据来支持物体位置和空间关系是基于环境参照系表征的认知地图（cognitive map）理论[20].
外界环境中物体的位置与相互空间关系在记忆中究竟以自我参照系表征还是以环境本身的内在参照系表征的,目前仍然存在着理论争论.Newbe认为[11],自我中心参照系表征在没有较多感觉信息输入的特殊情况下（如在黑暗环境中或者没有区别性特征的环境中）优于环境参照系表征；但当环境特征信息存在并可以被感知到的情况下,环境参照系表征要优于自我参照系表征.因为,自我参照系表征有两个难以克服的弱点,一是物体空间关系是通过物体相对于观察者的表征计算出来的,而不是象环境参照系表征那样直接存贮在空间记忆之中,因而更易于出现错误；另一点是自我参照系表征不如环境参照系表征那样稳定和持久,从而可以允许个体在较长的时间范围内（如数月或数年后）恢复和提取物体位置与空间关系的信息.另外,表征的目的性,如用于空间巡航（spatial navigation）还是用于引导动作行为（action guidance）,以及表征的环境尺度等可能都会影响空间记忆中不同参照框架的选择.
2.空间表征的朝向特异性：朝向独立性表征与朝向依赖性表征
空间表征的朝向特异性（orientation specificity）,指的是环境中物体的位置和空间关系的心理表征是否具有特定的优势朝向.针对这个问题,不同研究者分别提出了空间表征独立于朝向（orientation-free）和空间表征依赖于朝向（orientation-specific）两种观点.前者认为表征环境中物体位置的空间参照系是没有特定朝向的,空间表征中的信息可以在任意朝向上被同等程度的提取和通达[3,21,22]；后者则提出环境中客体之间的空间关系是表征在特定朝向空间参照系之中的,在不同的提取朝向上,空间表征中的信息提取和通达的程度不同,空间表征本身存在着提取更为准确、通达更为迅速的优势朝向[1,7,17].
Presson及其同事较早提出了空间表征的朝向特异性问题,并且提供了空间表征独立于朝向的实验证据[21].在实验中,他们首先让被试学习简单路径,然后让被试站在四个标志地点中的一点上,面向或背对着初始学习朝向,判断其他标志地点的位置.结果表明,被试的判断准确性在两种提取朝向上没有差别.Presson等人据此认为,被试可以通过单一视角学习形成不依赖于特定朝向的空间表征.Sholl和同事也在复杂的控制条件下观察到了空间表征独立于朝向的实验证据,并进一步在其自我―物体关系表征（self-to-object system）和物体―物体关系表征（object-to-object system）双系统模型中提出,基于环境参照系的物体―物体关系表征是不依赖于特定朝向的[22].
Sun等人最近利用沉浸式虚拟现实技术（immersive VR）得到了虚拟环境中物体位置表征独立于朝向的实验证据[3].他们让被试沿着虚拟建筑中的走廊记忆标志性物体在虚拟环境中的位置,然后在虚拟走廊中的特定位置让被试面向或背对初始学习朝向,判断不同标志物体的位置.结果与Presson等人一致,被试的判断成绩并不受其在虚拟环境中的提取朝向的影响.
另一方面,物体位置与空间关系的心理表征依赖于特定朝向的观点近年来得到了越来越多的实验证据的支持.早期的实验证据主要来自Reiser的经典研究[6],他发现当想象朝向与学习朝向一致时,被试提取空间信息比两者不一致时更为准确和迅速.对于Presson等人的实验结果,McNamara认为其难以被重复,并且提供了一系列支持空间表征依赖于特定朝向的实验证据[17].这些实验证据表明：个体对实验室人工路径与物体布局的表征[1,7],对大尺度自然环境中物体位置与空间关系的表征[8],对非视觉输入的物体空间信息的表征[23],对单一与多朝向经验下的物体位置的空间表征[1]等都是依赖于特定朝向的.在Shelton和McNamara的实验[1]中,被试从两个相差135度的观察视线学习矩形房间中物体的位置,然后完成相对位置判断任务,结果只有与房间结构一致的学习朝向被表征.在与房间结构不一致的学习朝向上,被试的判断准确性明显低于在和房间结构一致的学习朝向上的成绩,而且与未曾学习的新颖朝向上的判断成绩没有差别.在其实验七中,即使在没有外界参照线索的条件下从多个观察视角学习物体的位置,被试仍然没有形成独立于朝向的空间表征,而是形成了依赖于初始观察朝向的心理表征.
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King 等人的研究则为物体位置与空间关系的心理表征依赖于特定朝向的观点提供了认知神经科学研究的支持性证据[5].在其实验中,具有记忆障碍症状的被试Jon对虚拟场景中物体位置的记忆成绩,在学习与测试视角转换的条件下（shifted viewpoint）明显差于在相同视角条件下（same viewpoint）的成绩.King 等人认为Jon受到损伤的海马组织是造成这种差异的原因,并进而提出海马是完成空间表征中视点朝向转换的神经基础.
目前来看,更多的实验证据是支持空间表征依赖于特定朝向的观点的.但这一观点要成为确定性的结论还必须加以调整,以使其可以同时解释上述不同的实验结果.McNamara及其同事提出的空间表征依赖于内在参照系的理论,为该问题的解决提供了一个较好的尝试.因为支持空间表征独立于朝向的实验证据大多来自被试在两个相对朝向上的相同表现,而这两个朝向则是内在参照系中同一参照轴的两个方向.如果物体位置与空间关系是以环境本身的内在参照系来表征的话,被试在同一内在轴向上有相同表现也不能被看作是支持表征独立于朝向的实验证据.另外,由于环境本身的内在参照系很多（如颜色、形状等物理属性构成的参照系,物体的重要性或者物体之间意义联系构成的参照系,以及单纯的空间几何结构信息构成的参照系等）,不同参照系之间内在轴的朝向（优势朝向）也不相同,空间表征最终以哪些方向作为优势朝向仍然是需要进一步探讨的问题.
如何写表征毕业论文
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3.空间表征的组织结构：层级性表征与分离性表征
局部环境（如卧室、街区、城市等）的空间表征,通过一定的结构方式才整合成为可以指导个体空间活动的完整空间知识.空间表征在记忆中究竟如何组织,才能同时兼顾知识存储的认知经济性和空间信息提取的灵活有效性.早期的研究一致认为空间表征是按层级性结构（hierarchical anization）整合在一起的[24].即环境中不同尺度范围或者不同地理单元的信息是按层级来表征的,越是细节的空间信息被表征在越低的层级上.对小范围环境的低层次表征,隶属于对包含它的大范围环境的高层级表征,不同层级表征之间存在着直接的联系,类似概念表征的层次网络模型.但也有研究者认为,空间表征是相对独立（independent）和分离（fragmented）的.新形成的物体位置与空间关系的心理表征未必被整合在已经形成的空间表征中,不同表征之间（如不同地理单元环境信息的表征,先后获得的环境信息的空间表征等）并不必然存在直接的联系[25].
Ferguson和Hegarty[26]以及Taylor和Tversky[27]分别给出实验证据表明,从文本描述和观察地图中形成的空间表征是按层级性结构组织起来的.如在Taylor和Tversky的实验中,被试分别带着重新画图或者给别人描述的任务学习地图上不同物体的空间位置关系,然后在测验中让被试同时完成两个任务[27].对被试在画图和描述任务中物体的回忆顺序进行树状图式分析表明,不同区域物体的空间信息具有明显的组块（chunking）或会聚（clustering）效应,显示出层级性表征的特征.而且这种层级性表征以类似的模式出现在画图和描述任务中.Voicu则从计算神经网络的研究途径,给出了空间表征按照层级性组织的证据[28].他们建立的基于层级性组织的神经网络模型,不仅很好的拟合了McNamara等人[24]的行为实验结果,还很好的预测了距离判断任务受表征层级结构影响的实验结果.即跨层级物体间的距离易被高估,而同一层级内物体间的距离总被相对低估.这都说明空间记忆中环境信息的心理表征受其层级结构的影响.
而Wang等人则发现,被试可以很容易的形成对新环境的
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