第一章.知覺心理學簡介

 

1.2入門引言

每個人的周圍環境中,充斥著數以億萬計的視、聽、觸...等感官訊息,但是只有少數訊息是我們生活需要的。我們身上所配備的感覺器官也多能擷取到符合我們需要的訊息。所以當我問你:「天空是什麼顏色?」、「糖有多甜?」或甚至問「你是怎麼知道天空的顏色的?」、「你又如何知道那糖的甜度?」,你可能會覺得,答案不是很明顯嗎,不就是靠這雙眼睛、舌頭、耳朵、鼻子等感官和大腦嘛!切除這些感官將使我們一無所有,正如Protagoras所說的:「Man is nothing but a bundle of sensation」。

即使現在有顯微鏡、測波儀等等儀器,幫助我們觀察到感官無法直接感受的世界,但是也無法改變下列的事實:「科學知識是透過科學家們對外界的知覺結果而建立的」。科學家透過眼睛讀取儀器資料、建立理論,如果他不小心讀錯資料或疏忽了某項儀器操作程序,那麼所建立的關於世界的描述也將錯誤,因此感官的極限其實已經限制了吾人意識經驗的存在!

也正因為我們對世界知識的建立太依賴感官了,所以我們必須了解自身感官功能,看看由我們感官所創造出來的感覺,與科學儀器所測量到的外在實體(external reality)之間,到底有什麼差別。不過,一般人對於自己感官的忠誠度相當高,正如古諺所云:百聞不如一見(Seeing is believing)。很少人會去懷疑自己所看到、聽到的會是假的。特別是在法庭上提供目擊證據的證人!(請參閱自我觀察1.1)

這種「知覺是一種立即的、與外在實體一致的感受歷程」的哲學想法,又稱為實存論(realism),很早就受到許多哲學家質疑,像柏拉圖、康德等人,尤其是康德學派的哲學家。請讀者看看以下的圖形(圖1-1至圖1-7),自然能理解,我們並不單純透過眼睛這個感官就可以「看」,還必須有「大腦」或者說是「心智(mind)」的複雜運作才行。因為我們在感官資料送達大腦之前,整個知覺歷程可能已經先喚起以前的記憶,進行了許多微細的分類、比較與決策,彷彿我們已經意識到是什麼東西在哪ㄦ了。也許真如康德所言,我們是帶著先驗的時空知識來認識這個世界的。如果你的大腦受傷,甚至還會影響你所看到的、聽到的結果。

所以,感官只是攜帶外界訊息而已,而大腦的整個活動才是決定最後的知覺體(percept)。課程的目標就是在了解這些週邊感官如何傳遞訊息,而大腦活動又是如何運作出最後的知覺結果!換句話說,讓讀者了解知覺體與外界實體的差異所在正是本書的目的。了解這些差異將有助於了解我們自己本身。

 

 

 

 

 

1.3 感覺與知覺的區分

誠如上節所述,感官只是攜帶外界訊息,所以有必要區分感覺(sensation)與知覺(perception)的不同。哲學家Thomas Reid(1785)首先對感覺與知覺做出清楚的區分。一般

 

我們所指稱的感覺是與外界物體(external object)無關連的、隱私的(private)感官活動,它偏重生理性的、個別差異較小,所得經驗較孤立、以現實刺激為限,而且層次較低的活動。知覺則是指與外界物體及過去經驗有關連的統整經驗(Thomas Reid,1785),它偏重心理性的、個別差異較大、所得經驗較統整有組織,而且不以現實刺激為限(例如有幻覺或者視而不見,這表示並非所有的感覺都會產生知覺),層次較高的活動。例如當你聞到香香的玫瑰花時,你說「我聞到香味了」這只是感覺,如果你說「我聞到玫瑰花的香味!」,這便是知覺了。結構論者(structuralism)甚至認為知覺是由無數小的感覺單元組合而成的。不過這種觀點現在很少人引用了。

以視知覺歷程為例,目前多數知覺研究者比較關心的講法可以如下圖所示:

當我們做個整理,將會發現吾人的知覺歷程其實具有相對性選擇性整體性恆常性組織性可塑性等特色與性質。

所謂相對性是指圖形與背景的隔離、對比,就像王哥柳哥站在一起所引發的差異感,它凸顯周圍脈絡對焦點人事物的知覺影響。所謂選擇性是指吾人會主動從某個角度或觀點切入,而獲得知覺結果的特性,例如模擬兩可的圖形會因為你的想像,而在不同時間中分別被看成不同的物體,這凸顯知覺者本身的主動性。整體性是指吾人的統整的知覺經驗不能以片段的知覺結果的總和來描述之,如圖1-2的不可能圖形就是局部感與總體感不一致的最好說明。恆常性是指在某種程度的環境變化中,對同一物體的知覺結果仍然不變,例如大小恆常性不受網膜成像扭曲的影響等。組織性則是指吾人對於外界刺激元素的知覺結果,有特定的排列組合方式,這些知覺結果反應了心裡面內在運作的組織方式與結構,例如完形學派所宣稱的相似律(law of similarity)、接近律(law of proximity)、連續律(law of continuation)、封閉律(law of closure)、完美律(law of pragnanz)等。可塑性則泛指對外在環境刺激的適應而漸漸發生知覺經驗的改變

這些特性在以後的章節中都將一一遇到,屆時也都會有更深入的說明。

1.4知覺心理學與認知心理學

一門學科的形成可能透過解決共同的問題、使用共同的研究法,或共用一套分析工具等等理由,而被事後歸類成一個學門。所以對於一個經驗老到的研究者而言,區分各個學科並不全然具有積極、正面的意義。但是認知心理學是當代心理學研究中最活躍的一個領域,其研究範疇之廣,涵蓋了記憶、語言、注意力、問題解決與學習歷程等,我們不得不對它與知覺研究問題的重疊性稍稍做個說明,好讓初進此道的後輩不致迷失在浩瀚無際的個個學門,摸不著頭緒。

認知(Cognition)這個名詞的來源相當古老,泛指發生在大腦中的訊息處理歷程(information processing)。而外界訊息又勢必透過感官登錄,才能到達大腦(此處不考慮超感官知覺的研究),所以認知的研究也可以跨及感官訊息登錄、感官和大腦的訊息傳遞與大腦訊息處理。然從學科研究之重點議題的分佈來看,認知心裡學的研究多注重在建構大腦訊息處理模型上。亦即我們將眼睛閉上、耳朵唔住,仍能運用腦子思考、推論,這些比較高層次的思考、推論、記憶等心智歷程多成為認知心理學的重點議題。反之,知覺心理學則多比較關注前端的感官訊息登錄與感官和大腦的訊息傳遞上。

此處我們介紹兩個名詞-近側刺激(proximal stimulus)與遠側刺激(distal stimulus)-來說明知覺研究的特色。近側刺激指的是進到我們感官受器內的、關於外在實體的訊息刺激,而遠側刺激指的是那個外在實體本身。例如一個紅色的球本身是一個遠側刺激,但是它表面的一些反射入我們的眼中的光線便是近側刺激。知覺歷程的一個大的特色便是從近側刺激去準確的描述出遠側刺激。但是近側刺激訊息往往不充分或是混淆的,以致於吾人的知覺歷程常需要考慮遠側刺激發生當時的周圍脈絡訊息,萬一周圍脈絡被刻意剝奪,則知覺結果會產生錯誤,例如圖1-3到圖1-5所展示的各類錯覺。因此你可能會看到很多期刊中被稱為perception的研究,多與近側刺激的時間、空間之類的參數微調或變項操弄有關,以觀察吾人知覺歷程如何利用這些刺激訊息;反之操弄作業複雜度或順序來觀察人類心智歷程的實驗則多與認知心理學相關。

最近國內外興起另一個跨領域的學術風潮認知科學(Cognitive Science),這是一個企圖從綜合認知心理學、知覺心理學、生理心理學、生理學、電腦資訊科學、數學 、物理、化學等學門的知識,來了解大腦運作的新興學科。而當代知覺心理學的研究正站在這個風潮的樞紐位置上。

 

1.5知覺研究的取向(approach)

Alexander Bain早在1855年出版的第一本心理學教科書「The Senses and the Intellect」中就大篇幅的談及感覺與知覺功能。後來Wilhelm Wundt更以實徵研究與理論建構,對感覺知覺的主要問題奠定了許多實驗研究典範。從本章一開始所敘述的歷史可知,這些問題本身的起源都很早,可溯及希臘哲學知識論的爭辯,滲雜了各家各派的理論觀點,有完型學派(gestaltists)、功能學派(functionalists)、內省分析學派(analytic introspectionists)、計算學派(computational psychologists)等等。即便如此,目前我們仍能找到一些共識與核心的主軸敘述如下。讓我們先從二元論的問題開始吧。

 

新、舊二元論

希臘哲學家亞里斯多德(Aristotle)曾認為心臟是「靈魂」的所在地(the seat of the soul),它統制身體所有感覺。雖然這個觀點沒有任何實徵資料支持,但是即使是現代的人們也經常使用這個觀念。例如我們經常會說「獻出我一顆忠誠不渝的心」之類的語言。到了西元160左右,Galen開始觀察到人腦內的窟窿有不同液體流動,而認為有四種不同液體決定人的情緒、思想,其中血液流入心臟之後被轉換為「有生命力的液體」,再被輸送到腦部,最後再被送到特定的肌肉或感覺器官中。16世紀,笛卡兒則從當時機械運作的觀點把人體看成是一部機械。他開始提出純粹生理學上的、關於運動的身體機制的問題,認為我們可以藉由科學上的觀察來理解這一個動物機器(animal machine)。不過笛卡兒是個虔誠的宗教徒,在他的理論中仍無法排除「靈魂」的概念,但是他又相信對感覺、知覺作用歷程的機械論觀點是正確的。為了解決這個兩難困難,他提出了「身心二元論」的觀點。亦即把機械性的身體、行為與精神性的心靈力量區分開來。但是靈魂與身體必須在特定的一個部位上發生交互作用,否則身體會變成一部無法理解的機械。笛卡兒認為這個地方必是松果體(pineal gland,參見圖1-13),因為它位於腦的中心部位,未分化成兩半(事實上,腦下垂體,pituitary gland,也是位於中央部位的組織之一,但笛卡兒並沒有注意到它)。

從笛卡兒之後,許多科學研究者多逐漸想拋棄「靈魂」的概念,直接找尋行為與思考的機械作用或生化作用。他們提出「一元論」(monism)的觀點,把心靈與大腦(或身體)視為同一個實體的兩種不同狀態。像天文學家克卜勒(Johannes Kepler,1571-1630)就是第一位把眼睛當成光學透鏡工具看待的人。加拿大著名的生理心理學家Donald Hebb甚至極力擁護這個論點。他認為個人的「自由意志」(free will)只不過是一種經由思考歷程對行為所做出的控制罷了,「自由意志」的概念並沒有違反科學法則,亦即所有行為思考的基礎都在神經系統上。

雖然意識依賴大腦,大腦功能改變時,意識也會隨著改變,但意識並不是腦。同理,思考是經由神經事件(neural events)以某種難以想像的複雜連結所造成的,沒有神經活動思考就無法發生,然而思考也不等同於神經衝動,因為思考的內容、次序等特性,也無法從神經細胞的活動歷程預測。看來心靈雖無法獨立於大腦發生作用,但是心智活動事件與神經活動事件卻可以個別的加以研究,這開啟了新的方法論上的二元論的發展。

科學家們對知覺研究的興趣,可溯及身心二元論的哲學爭辯上。如上所述,二元論的問題可以有很多種版本的描述方式,不過,在此處我們以如下的方式描述:亦即外界的光波、聲波透過視神經、聽神經變成電訊號的處理之後,到底是如何轉換成吾人當下的知覺經驗或意識?截至目前為止,即使是最聰明的科學家也無法正面解決這個問題,但是有些科學家們巧妙的把問題轉向追求電訊號處理與知覺經驗之間的關係上,亦即我們企圖以大腦某區域的電位活動組型(pattern)來解釋經驗的成因。有些科學家們則乾脆在知覺經驗本身的變化與物理刺激之間的關係上進行研究。因此,基本上形成兩個不同層次的研究取向:一是從心理物理的層次下手,即操弄物理刺激變化,記錄主觀意識感受;另一種是操弄物理刺激變化,記錄神經生理反應。

 

神經生理的研究取向

神經心理學研究取向多注重在神經衝動(nerve impulses)的電訊號與知覺經驗的關係。但是早在西元前三百多年的亞里斯多德卻曾認為,心臟才是靈魂運作的位置。當然,之後的研究者已經了解,事實上大腦才是心智運作的中心,這其中的思想轉折反應了當時生命科學的技術。

一直到19世紀末,越來越多的電訊號研究指出,可能是神經細胞的電訊號傳遞過程決定了吾人的知覺經驗。其中重要的人物包括Johannes MulleHermann Von HelmholtzSir Charles SherringtonMulle1842)提出神經能量教條(doctrine of specific nerve energies),明確指出:不同部位的神經細胞被刺激後,傳遞到大腦的神經能量(nerve energies)決定了吾人不同的知覺經驗,而腦所接受的只是一般共同的神經訊號。例如刺激眼睛的訊息傳到大腦之後,便被解釋為光、刺激耳朵的訊息傳到大腦之後,便被解釋為聲音。

二十世紀初更因為電訊號放大器(electronic amplifiers)的發明,使得生理學家可以直接記錄到被稱為神經衝動(nerve impulses)的電訊號傳遞過程,而更明確指出:身體不同部位的感覺受器(receptors)會將物理世界的能量轉換成電訊號,再藉由數以百計或千計的神經元(neurons)所組成的神經(nerves)傳導路徑,將電訊號傳遞到大腦的不同部位。Helmholtz曾以電流刺激一條青蛙神經的不同位置和人的腳趾、大腿,測量其肌肉收縮的反應時間。結果發現神經傳遞距離越長,從刺激到做出收縮反應的時距(又稱為「反應時間」)就越長。

Sherrington1906)則是從「反射弧」(reflecx arcs)的研究結果建立了很重要的觀念:即輸入感覺訊號的神經通路(pathway)與輸出運動訊號的神經通路之間是有聯繫的。這些聯繫就形成反射弧,有利於個體生存。而且這些聯繫不都是興奮作用,也有抑制作用。

諾貝爾生理學獎得主Francis Crick就曾說過(1979),在所有科學研究中,腦部的研究對人類而言是最重要不過了,因為我們對宇宙的所有觀點都是從這裡發展出來的。因此接下來我們將說明這些與大腦相關的基本神經生理學知識。

首先脊椎動物的神經系統分為中樞神經系統(central nervous system,簡稱CNS)與周圍神經系統(PNS)。中樞神經系統包括腦(參看圖1-19)與脊髓;周圍神經系統包括軀體神經系統(somatic nervous system)與自主神經系統(autonomic nervous system)。自主神經系統又分交感(sympathetic)與副交感(parasympathetic)神經系統。

所謂軀體神經系統是指可隨意志控制的,分佈於皮膚、肌肉、關節處的神經,它們可以讓我們感覺到痛、壓力、溫度等。自主神經系統是指在一般情況下不受意志控制的神經組織(可能在某些情況下,如氣功、瑜珈術等等的修練,可以以意志控制自主神經系統,這不在本書討論範圍內)。

神經組織主要包含兩大類細胞,一為負責傳導電訊號的神經細胞(neurons);另一類是扮演支持、輔助代謝、清除感染等功能的神經膠細胞(neuroglia),關於神經膠細胞的功能介紹請參考

神經細胞不論其型態是屬於單極神經元(unipolar neuron)、雙極神經元(bipolar neuron)還是多極神經元(multipolar neuron),一般多由樹突(dendrites)、細胞本體(soma)與軸突(axon)三部分組成(參閱圖 及其說明)。其中樹突較短而綿密,用來接受前一個神經元傳來的電訊號﹔細胞本體包含了細胞核(nucleus)、細胞質(cytoplasm)、粒腺體(mitochondria)、微管束(microtubule)等等胞器,用以維持本身的生存,也扮演類似樹突的接受訊號的角色﹔軸突多是較長而粗,末端並有許多突觸分支(synaptic terminal),用來將綜合過後的電訊息,以接力方式傳遞給下一個神經元(見圖 )。前一個細胞的軸突末端與下一個細胞的接觸點並非密合,而是存在了一個狹窄的空間,稱為突觸裂(synapse cleft)。

大腦內的神經細胞也有某種排列規律存在。細胞本體與樹突結構多綿密的聚合在大腦皮質表面,因為顏色較深而被稱為灰質(gray matter),有類似性質的軸突則多相聚成束,穿梭在神經組織之間,顏色較白而被稱為白質(white matter)。腦內聚集的細胞本體成核狀或板狀,稱神經核(nucleus)或神經板(lamina)。

 

 

oligodendroglia細胞可以同時包裹許多神經元的軸突,而Schwann細胞只對單一軸突反覆纏繞(參見圖 說明)。

再來看神經細胞的電訊號傳導方式。神經細胞被浸在充滿正電荷的鈉離子(sodium ions)液體中,細胞內則充滿正電荷的鉀離子(potassium ions)。當細胞處於「休息」狀態時,細胞外的正電荷總是比細胞內高出約70 mV,此時的電位能又稱為休息電位(resting potential)。一旦神經衝動發生的時候,細胞外的鈉離子先大量往細胞內「滲透」,使得細胞內的正電位能在1/2000秒內急驟上升達到+40mV,繼之,細胞內的鉀離子再往細胞外釋出,而使得胞內正電荷又漸漸恢復休息狀態,這也需要大約1/2000秒,因此整個歷程持續約1/1000秒。在這短短的1/1000秒內所產生的電位變化稱為活動電位(action potential),讀者可參見圖1-23的說明。上述的電位變化過程有以下幾個基本特性是必須注意的。

 

    1.  
    2. 是一種傳遞式的反應(propagated response):亦即一旦被啟動之後便會沿著軸突一路傳遞下去。
    3.  
    4. 遵循全有全無律(all-or-none law):亦即一旦被啟動之後,不論刺激有多強,神經細胞所產生之單一活動電位強度都一致(即從-70mV上升到+50mV)。但是有一些較「短」的神經細胞,如網膜上的conerodbipolar不遵守全有全無律,則稱其電位變化為梯度電位(gradient potential)。(有些神經生理學家可能不認同把conerod當成神經細胞,他們認為充其量只能稱conerod為神經受器,receptor。)
    5.  
    6. 必定有回復期(refractory period):亦即每啟動一次活動電位變化之後,在一段時間之內(約1/1000秒)細胞不會再對刺激產生反應。刺激持續的長短由相對應的神經受器之放電組型(discharge patterns of rapidly & slowly adapting receptors)決定。
    7.  
    8. 增加刺激強度會增加活動電位的反應次數(firing rate),此稱為速率法則(rate law)。但是因有恢復期的必然事件,使得神經衝動的頻率最高也只有大約每秒1000次。
    9.  
    10. 增加刺激強度也會增加參與放電的神經細胞活動,此稱為群體登錄(population codes)。
    11.  
    12. 多有自發性的反應(spontaneous activity):亦即外界無刺激時,神經細胞也會有些許的活動電位的反應。以後的章節中,你將會發現這些自發性的活動電位,在形成知覺經驗的過程中,扮演非常重要的角色。
    13.  
    14. 前一個神經元的電訊號多是透過突處末端分泌所謂的神經傳導物(neuro transmitter),以化學反應變化方式傳遞到後一個神經元。這個化學反應基本上有興奮與抑制兩類功能,亦即前突觸細胞的神經傳導物,可能使突觸後細胞膜電位產生過極化(hyperpolarization)電位反應,又稱IPSPinhibitory postsynaptic potential),而抑制了後突觸細胞產生活動電位的機率。或者前突觸細胞的神經傳導物,可能使突觸後細胞膜電位產生去極化(depolarization)電位反應,又稱EPSPexcitatory postsynaptic potential),而增加了後突觸細胞產生活動電位的機率。
    15.  
    16. 突觸裂的神經傳導物不只改變突觸後的膜電位,也可能透過分泌該傳導物質的神經細胞本身的受器(autoreceptors)而影響到自己。形成一個良好的負回饋系統,以維持平衡。
    17.  
    18. 後突觸神經細胞則靠著再吸收(re-uptake)與酵素分解(enzymatic deactivation)方式,迅速將神經傳導物所產生的電位變化效應消除,以接受下一次的再刺激。

目前的神經生理知識甚至已將這些神經基本特性以數學式子表達出來(Hodgkin & Huxley,1952)。至於整個大腦的運作雖然還不能完全了解,但是藉著各類動物腦的毀除法(experimental ablation)或在人腦上的 電腦斷層掃描(computerized axial tomography,又稱CT scan,是一種直接以X光從不同角度穿透腦部的大腦造影術,因為不同腦部位對X ray有不同吸收程度。為了增加掃描圖像的分辨率,需注射含碘之造影劑。此技術連死的腦都可以造影,無法區分腦中的活動狀況。例如不正常腦神經放電的癲癇就無法檢查出。)、PET攝影(positron emission tomograph,需注射2-DG或H2O15放射性物質,才能偵測活體腦的代謝活動量,這種方法可偵測大腦活動所帶動的放射性物質,通常為gamma射線代謝量,也可偵測因為生化因素產生的腦病變,但是造影速度極慢,無法反應太快速的腦活動變化)、 MRI(核磁共振大腦造影術,舊稱NMR,即magnetic resonance imaging,利用體內水分子與外部磁場的耦合共振特性,即時偵測大腦活動的最新技術,是目前大腦造影速度最快的方法)、腦波記錄(electroencephalogram,簡稱EEG)、電擊刺激法、超音波掃瞄(sonography,利用高頻聲波射入與反射的時間差,來推估目標物位置與形狀的方法),以及自然腦傷的個案研究等方法,使得在腦功能定位(localization of function)與感官訊息的登陸(sensory coding)這兩方面有長足的進步。本來,病理、生理、心理就是鐵三角關係,本書其他章節將陸續談到生理、心理方面的研究成果,也在適當位置介紹必要的病理知識。

依據Roger Sperry1980)的觀點,大腦內之神經細胞間的電訊息傳遞及其物理化學活動,所能表現的功能特性決定了吾人的知覺經驗。因此從神經生理的角度出發,其目的在建構這些神經細胞間的訊息傳遞機制(mechanism)。但請不要誤解,知覺經驗被化約成一束一束的電化學反應之後,便再也沒什麼好談了。畢竟,研究一堆被拆開來的電視零件,怎麼也無法理解一部完好的電視是如何運作的,除非你了解這些零件,在時間上是如何依序啟動、在空間上是如何被兜起來的。同樣的,神經活動的興奮、抑制和行為表現發生與否之間關連的知識系統,仍有一段很大的差距需要被填補起來。

 

心理物理的研究取向

心理物理取向本身又比神經生理取向要複雜的多。因為神經生理取向關切的是行為背後的神經基礎,不直接涉及變化多端的行為本身,而心理物理取向直接涉及行為本身的測量、觀察。所以,端賴研究者強調行為的哪一個面向可做測量、觀察,而產生相當不同的研究風貌,一般可約略分現象學取向、實驗取向。

現象學取向(phenomenal/naturalistic approach)強調,只有自然環境下發生的知覺經驗,才有研究的必要,也只有透過相互的、內省的語言報告,才能探究吾人的知覺經驗。因此,無法讓我們研究動物、嬰兒,也無法區分是否說謊,有些知覺經驗可能也無法內省出來。雖然有這麼多的限制,但是這類研究取向所累積的、細心觀察的資料,卻成為實驗取向最好的入門素材。

實驗取向則是在實驗室中,以不斷重複出現的、非自然發生的物理刺激,來引發並研究特定的知覺經驗。他們為了小心地操弄、控制、記錄所有會影響知覺結果的物理刺激向度,因而發展了許多實驗方法。以下將簡單介紹這些方法,以利讀者對未來章節的討論內容能迅速理解,並做多方面的驗證。這些方法包括Fechner提議的定值刺激法(method of constant stimuli)、調整法(method of adjustment)、極限法(method of limits),Steven所提議的大小產生法大小估計法比率產生法比率估計法,以及信號偵測理論(signal detection theory)。

首先,Gustav Theodor Fechner1860),一位德國物理學家兼哲學家,也是第一位宣稱要建立物理世界與心靈活動之間關係的學科心理物理學的人,他的著書名稱就叫「Elements of Psychophysics」。Fechner認為只要能將物理刺激所引發的心理感覺量化,那麼就有可能畫出心理量與物理量的函數關係。而 量化心理感覺的第一步是找出引發感受的最小物理刺激量--絕對閾值(absolute threshold),與引發區辨兩個不同刺激的最小物理刺激改變量差異閾(difference threshold)。與Fechner同時期的人物,Ernst Weber,已經先作過類似的測量工作,發現以不同刺激強度(以下稱為標準刺激)作為起點時,所測得的差異閾都不同。不過,這些差異閾的變化量卻是正比於標準刺激的強度。如果以數學式子來表達,ΔI表示物理刺激上的差異閾,I表示標準刺激強度,則:

ΔI / I = 常數(constant

 

不過Weber's Law在I越靠近絕對閾時越不正確,因為Weber's law並無說明主觀感覺如何隨著外界刺激強度變化而變化,因此它還不能稱得上是心理物理定律。

FechnerWeber的測量結果為基礎,稱上述式子為Weber’s Law,該常數為Weber fraction。並進一步假設,從絕對閾以上,每隔一個差異閾變化所引起的,心理上恰可以分辨的感覺,稱為心理上的恰辨差(Just noticible difference,以後簡稱JND)都是一樣強的。換句話說,ΔI1/I1 =ΔI2/I2=ΔI3/I3=…=Δφ=1 JND。亦即ΔIi/Ii =Δφ,將此式等號左右兩邊做不定積分,將可得到下列結果:

∫ΔIi/Ii=∫Δφ

 

這個式子顯示物理刺激強度(II)與心理感受(φ)呈現 對數 關係。Fechner建議了一些測量方法,包括定值刺激法(method of constant stimuli)、調整法(method of adjustment)與極限法(method of limits),用來檢驗上述對數關係的正確性。其中調整法主要是用來測量絕對閾(也可測量差異閾),它允許受試者直接微調比較刺激的強度。從遠小於或遠大於絕對閾的強度開始,當刺激恰可以感受到或恰不能感受到時(即達到閾值),便做反向調整,使刺激一直保持在恰好可以感受到的範圍內(見下圖1-28說明)。

定值刺激法則是預先選定在閾值(可以是絕對閾或差異閾)附近的幾個固定的刺激強度,以隨機重複呈現的方式,測量其被偵測到的機率表現,取其50%反應的物理刺激強度為其閾值。(見圖1-26說明)

極限法是實驗者直接從遠大於或遠小於閾值的刺激強度開始依序呈現,將刺激強度漸漸減少或增加(即所謂的下降系列或上升系列),直到受試者偵測到為止(參見下圖1-27說明)。

Fechner以上述方法測出特定標準刺激(I0)下的差異閾(ΔI0),再以I0 +ΔI0=I1)為下一個標準刺激,測其差異閾(ΔI1),再以I1 +ΔI1(=I2)為下一個標準刺激,測其差異閾(ΔI2),….,一直連鎖測量下去,則可畫出如下圖1-29的心理量與物理量關係圖:

雖然現代的測量結果並不完全支持對數關係式,但是Fechner的貢獻仍然很大,因為有他的提議才有後來改變修正的基礎。

後來的心理物理學研究並不侷限在閾值測量,因為吾人日常的知覺現象多發生在高於閾值甚多的刺激強度水準上。所以,S.S.Steven將整個吾人能知覺到的刺激範圍全部納入考量,並要求受測者直接對整個刺激範圍做心理上的比率評估或切割,來建立心理物理函數關係。因為方法不同,Steven所建立的心理物理函數自然也與Fechner不同。有許多學者稱Fechner的心理物理學為局部的心理物理(local psychophysics)研究,而Steven的心理物理學稱為整體的心理物理(global psychophysic)研究。以下將用列表方法簡單介紹Steven常用的四種方法:大小產生法、大小估計法(magnitude estimation)、比率產生法、比率估計法。

 

 

比率產生法

比率估計

大小產生法

大小估計法

實驗者要操弄的:

給定標準刺激強度與一個比率值(例如1/2、1/3、等)!

給定標準刺激與比較刺激強度!

給定標準刺激與一對整數值a、b,其中a表示標準刺激強度!

給定標準刺激、比較刺激與任一個相對應於標準刺激的數值a!

要被紀錄的受試者反應:

調整比較刺激強度使其符合該比率!

直接評估兩刺激強度的比率值!

直接產生強度為b的刺激強度!

評估比較刺激的對應數值b,使得a/b=標準刺激強度/比較刺激強度!

備註:

     

極大或極小的刺激不給極大或極小的數值!

基本上這四種方法,所獲得的資料是以 乘冪 函數(power function)去評估。亦即

φ=kIa

 

心理量(φ)是物理量(I)的某個次方(上式是a次方)關係!當這個次方參數a<1時,所得到的心理物理函數圖形類似於Fechner的結果,表示心理反應有壓縮(response compress)傾向;反之,當次方參數a>1時,表示心理反應有擴大(response expansion)的傾向。

但是,我們知道任何一個心理物理作業都會有認知成分涉入,包括反應偏好、策略、動機等等。以前的研究者不是忽略它,就是以為可以藉著練習或簡單的統計法去除,但事實上卻不然。我們可以把受試者的反應與刺激出現與否列成下面的2x2矩陣,再來討論動機的影響。

 

刺激出現

刺激未出現

受試者答有刺激的反應

正確命中(hit)

假警報(false alarm)

受試者答沒有刺激的反應

遺漏(loss)

正確拒絕(correct reject)

 

當受試者正確命中時,若有很高的獎勵,則勢必將提高該受試者做假警報的次數;反之,當受試者發生假警報時,若有很嚴厲的處罰,則勢必將提高遺漏次數。如此一來,受試者的刺激偵測能力不只受到感官閾值的影響,也受到外在獎懲動機的非感覺因素影響。信號偵測理論(Signal Detection theory,或稱Sensory Decision theory,簡稱SDT)即對這一類非感覺訊息的影響進行抽離。它畫出假警報比率與正確命中比率的函數圖形(參見圖1-31說明),稱為反應者操作特徵曲線(Receiver Operating Characteristic Curve,簡稱ROC曲線)。從不同ROC曲線的陡彎程度可以比較出不同感覺閾值的變化(或說感受性強弱的變化),從同一條ROC曲線上的各個點則可判斷非感覺因素如何影響其判斷。

 

 

 

基本上,心理物理取向與神經生理取向是相輔相成的,雖然心理物理研究把大腦當成一個打不開的「黑箱」(black box)來研究,神經生理研究則是把該黑箱打開來研究,但是心理物理研究仍可以展示出某些生理上的意義,提供我們理解大腦功能運作上的限制(constrain。自從McCulloch & Pitts1943)提出一個符合神經元all-or-none 運作原理之類神經網路的數學模型之後,神經生理的研究與心理物理的研究越走越近。

回顧1950-1960年代視神經生理研究有很戲劇性的發現,例如HubelWieselBarlow發現各類視覺特徵偵測細胞(feature detector),但是到1970以後便無繼續新的發現,也跟高層次的知覺現象扯不上關係,或者無法闡明視覺皮層的功能。David Marr1980)認為這堶惘釣ヶ暋D必須澄清。

第一點:即使大腦解剖研究告訴我們,有某特定的細胞進行某特定特徵(feature)的偵測是正確的,但是這樣的理論仍然無法告訴我們如何去設計一個靈巧的機器手臂,因為這種理論只是描述cell 行為,非解釋cell行為。我們可能缺少了從單一神經細胞傳遞衝動層次到大腦中樞表現理解知覺層次的中介層次。H.Barlow的第一教條指出,單個神經細胞(設為A cell)既接受其他神經細胞傳來的信號,也會影響其他細胞,對A cell的活動的描述以及對它受其他神經細胞的影響而作出的反應的描述,乃是理解神經系統功能的一種完備的描述。殊不知研究羽毛仍不能使我們理解鳥為什麼會飛,而是要在空氣動力學層次的意義上才能正確地理解羽毛;同樣地,研究個人電腦主機板上的每一塊電晶體不能讓我們理解快速傅立業轉換(FFT),而是要在FFT的算則上(Algorithm)層次上理解才行;乘法表的意義也不能透過檢查大腦來掌控。

第二點,對不同層次的現象、問題,有不同層次的理解表徵。例如一封閉瓶內的每一氣體分子有其運動方程式來描述,但是若你想對整個氣體的熱力學效應做描述,你就得在粒子集合的基礎上去考慮才可能正確,而非在一粒氣體分子的運動上。又以電晶體為例,一個電晶體只能做訊號放大的功能,我們可以透過固態物理的知識去理解它,但是6個電晶體就能進行0與1的訊號記憶處理,上千萬個電晶體更能進行複雜的微積分運算,要了解這些複雜的計算已經不可能單從故態物理的描述著手,而是要借重更多數學的描述才行。同樣的,Roger Sperry的裂腦實驗也充分說明了整個大腦功能大於左腦的功能加上右腦的功能。這些由簡單成分構成的複雜系統會衍生出新的特質(emergent property),需要用新的語言、新的表徵去描述它。不過,宏觀的描述與微觀的描述原則上應該是一致的,從各個不同層次來看,最終還是要統合各層次之間的所有細節部份。

所以,Marr以視覺為例,說明要了解整個視覺訊息處理系統,必須從下列3個層次下手:

一、計算理論層次(computational theory):了解什麼是計算的目標(goal)?這目標為什麼適當?計算策略的邏輯是什麼?...等問題。這是最上層的層次。

二、算則表徵層次(representation & algorithm):這是居中間的層次,是了解計算理論如何被執行、如何定義輸出入的表徵法以及如何由輸入轉換到輸出之間的算則...。

三、硬體實作層次(implementation level):這是最低的層次,探討上述表現法與算則如何在計算機或神經系統的硬體上實現的問題。

我們稱Marr的觀點為計算理論觀點(computational approach)。Marr認為計算理論要與硬體實作之間要保持某種程度的獨立性,亦即此三個層次間的關係相當鬆散。從這個計算理論的觀點出發,神經生理研究提供了硬體實作層次的理解,心理物理研究則提供計算目的層次的理解,而尋找算則就在中間扮演橋樑角色。

以上的取向分類並不完備,仍有遺漏。因為另有一群研究者認為人的知覺與行動的訊息已清楚存在於外界刺激中,端看觀測者是否撿取。而這種撿取的過程大部份是直接的,不需要大腦做任何計算或推論。亦即知覺非主觀的,是客觀的。這挑戰了現代科學中心想法:「知覺是主觀的」。因為他們宣稱只討論具有生態效度的議題,故我們稱這一個研究取向為生態取向(ecological approach),其核心領導人物是James J. Gibson。

對Gibson而言,無所謂Hoffding step問題:即由物理世界的物體(刺激)直接「知覺出」(或叫出)目標物,而不是如下的迂迴路線:

由物理世界的物體(刺激) 「知覺出」(或叫出)目標物

↓ 這一步稱為Hoffding step ↑

感覺神經coding的表徵––––––––––––→ 知覺的神經活動事件

 

他主要的研究議題集中在運動視覺中的光流場(Optical flow field)分布,企圖尋找存在於外界光流刺激場中的不變量(invariants),如質地梯度(texture gradient)、變形阻抗、網膜擴大率等,可提供對運動與三度空間結構回復之知覺歷程的了解。但是以現在的觀點來看,Gibson的研究充其量只是一種充分分析。亦即這種分析是一種達到知覺現象之目的的方法,卻不是唯一的方法。即使外界的各種不變量的確存在,但大腦是否會()使用它們卻是另一回事。Gibson總是低估了這些不變特徵被人類使用的困難度。還有一些關於靜態的像差深度、錯覺現象,Gibson也都無法解釋(當然,Gibson認為那些靜態的現象並無生態意義,故不予討論),因此Gibson的論點並不全受到實徵性研究的支持。

又由於認知心理學在1960年代興起(Neisser1967)之後,使得心理學家們開始注重心智運作歷程的細部探討,及知識經驗、記憶、推理對知覺的影響。這也有別於古典心理物理實驗只探討由下往上的歷程(bottom-up process,係指對刺激屬性的處理來建構最終的知覺結果),而一改前貌,紛紛開始建構由上往下(top-down process,係指知識經驗或推論對知覺結果的影響歷程)的知覺處理模型。讀者何不看看圖1-32,您覺得它像是一隻老鼠?還是一個帶眼鏡的老人?顯然圖畫本身的線條與你對它的期望都會影響看的結果吧!

揭示由上而下歷程影響的最著名的實驗之一是Steven Palmer1975)的實驗。他先呈現具有特定脈絡的景象給受試者欣賞,再要求受試者辨認目標物(參見下圖1-33及其說明),結果發現受試者的確受到先前脈絡景象的影響,多將郵箱與鼓認為是麵包!也許我們將這類注重高層心智運作對知覺歷程影響的研究取向稱為認知取向(cognitive approach)也不為過。

在未來的各章節中,你將欣賞到不同研究取向對同一個議題的探討,所獲得的獨特、互補的貢獻。本書也希望提供讀者從低階的、無意識的神經生理運作,到高階的、意識性的、經驗層次的討論,盡可能囊括在內。

1.6 知覺研究的應用性

基礎知覺研究在各個應用心理學,例如犯罪心理學、工商業心理學、人因工程學、人工智慧等領域都相當被重視,因為它不只提供人類的感覺、知覺參數以作為塑造外界環境的參考,也在研究方法上提供了許多研究典範。以商業行為為例,Weber’s law告訴我們一瓶20元的飲料漲價到22元所引起的差異閾與一套8000元音響漲價到8800是一樣的,此時身為店主的你會採取什麼樣的行銷策略?

在犯罪心理學中,證人的證詞有效性決定於證人本身的知覺可靠程度。如果你是法官或當事人的律師你會需要參考什麼樣的資料來判斷證詞可靠性?我們將在本書中的適當位置安插這類相關應用領域的討論,俾使知覺心理學的研究不至於束之高閣。