视觉搜索中努力预期与策略性线索使用的认知神经机制研究

《COGNITIVE, AFFECTIVE & BEHAVIORAL NEUROSCIENCE》：Effort expectation and strategic cue use in visual search

本研究针对负性线索（negative cues）在视觉搜索中效果不一致的问题，创新性地通过操纵努力预期（effort expectation）来探讨线索效用与搜索努力之间的权衡机制。研究人员通过嵌入违反预期的试次发现，负性线索并未产生可靠效益，而正性线索（positive cues）的效益在困难搜索中增强，且预期与任务难度的匹配对绩效有显著影响。该研究揭示了努力预期在注意力分配中的重要作用，为理解认知控制策略的适应性提供了新视角。

　　

在日常生活中，我们不断地进行视觉搜索：从杂乱的抽屉里找到一把削皮器，在超市货架上定位苹果，或者在一串钥匙中找出需要的那一把。这些看似简单的任务，实际上依赖于复杂的注意力系统，这个系统需要在众多干扰信息中优先处理与目标相关的刺激，同时抑制无关的干扰项。几十年的研究表明，提前获得关于目标特征的信息（即正性线索）能够显著提高搜索效率，加快反应速度并提高准确性。然而，对于那些提示干扰项特征的“负性线索”，其作用却一直存在争议。有些研究发现负性线索能够促进搜索，而另一些研究则报告无效甚至负面效果。这种不一致的结果暗示，使用负性线索可能需要付出一定的心理努力，而其效果取决于这种努力是否能够被减少搜索努力所带来的益处所抵消。

至关重要的是，当搜索努力是可预测的时候，参与者可以依赖预期的努力水平来决定是否使用负性线索。这种主观的努力/效益评估可能解释了负性线索效果不一致的现象。然而，预期努力的影响在此背景下尚未得到充分研究。区分实际努力和预期努力，对于理解注意力控制的适应性机制具有重要意义。

为了探究这一问题，研究人员设计了一项巧妙的实验。他们通过改变目标与干扰项之间的方向相似性来操纵任务难度：在困难任务中，目标方向与干扰项更为接近（±15°），而简单任务中差异更大（±45°）。更重要的是，他们通过在不同区块中嵌入不同比例的困难与简单试次来操纵参与者的努力预期。在预期困难的区块中，80%的试次为困难任务，20%为简单任务；预期简单的区块则相反。这种设计使得研究人员能够独立考察预期努力和实际努力对线索使用的影响。

在每个试次中，参与者会先看到一个线索：一个带有“+”、“-”或“O”符号的彩色圆圈。正性线索（“+”）提示即将出现的搜索显示中目标的颜色；负性线索（“-”）提示干扰项的颜色；中性线索（“O”）提示的颜色不会在搜索显示中出现。参与者需要从八个非黄色的Gabor斑块中找出方向倾斜的目标，并判断其倾斜方向。

研究人员主要采用了行为测量（反应时和错误率）和贝叶斯多水平模型（Bayesian multi-level modelling）进行数据分析。实验程序通过E-Prime 2.0运行，刺激呈现在VPixx VIEWPixx显示器上。数据分析包括重复测量方差分析（repeated-measures ANOVA）和更精细的贝叶斯多水平建模，后者能够更好地处理数据不平衡问题并保留所有层次的不确定性。

预期努力与任务难度的匹配影响整体绩效

研究结果发现，当实际任务难度与参与者预期一致时，反应速度显著快于不一致的情况。这种预期失配导致的反应时延迟在困难试次中更为明显（33毫秒），而在简单试次中则较小（6毫秒）。这一发现符合预测编码（predictive coding）理论，表明大脑会基于预期来优化信息处理，当现实与预期不符时，需要额外的认知资源来更新内部模型。

正性线索效益受搜索难度调节，负性线索效益不显著

与预期一致，正性线索带来了显著的反应时效益，且这种效益在困难搜索条件下更大。相比之下，负性线索（与中性线索相比）并未产生可靠的效益，即使参与者预期到高努力搜索时也是如此。贝叶斯分析进一步确认了负性线索效应的缺失，其效益上限估计约为32毫秒，远小于正性线索的效益（300毫秒以上）。

努力预期对负性线索使用无调节作用

尽管研究者假设预期高努力搜索会促进负性线索的使用，但结果并未支持这一假设。负性线索的效益在预期困难和预期简单的试次间无显著差异，表明预期努力本身不足以促使用户采用这种可能需要更多认知努力的策略。

预期失配对正性线索效益的异步影响

一个有趣的发现是，在困难区块中意外出现的简单试次（即预期失配）反而增强了正性线索的效益。研究人员认为，这可能是因为在困难区块中，参与者建立了更精细的注意力模板（attentional template），当遇到更明显的目标特征时，这种精细准备与突出的目标特征相结合，产生了超常的促进效应。

本研究未能发现可靠的负性线索效益，可能与任务难度的性质有关。与之前报告负性线索有效的研究不同，本研究的困难主要源于目标辨别能力的挑战（感知难度），而非干扰项干扰的增加（认知控制需求）。这表明，负性线索的有效性可能取决于搜索困难的具体认知成分：当困难主要来自干扰项干扰时，主动抑制机制可能更有利；而当困难来自目标辨别时，这种策略的效用可能较低。

从神经机制角度看，负性线索的使用与前摄控制（proactive control）相关的脑机制（如中前额叶theta活动）有关，这种控制机制的招募可能涉及努力-效益权衡计算，由包括背内侧前额叶皮层（dmPFC）、腹内侧前额叶皮层（vmPFC）和前扣带皮层（ACC）在内的网络完成。在本研究条件下，即使预期到高努力，使用负性线索的感知效用可能较低，导致这些系统计算出的“效用信号”不足，从而使参与者忽略负性线索。

总之，这项研究通过分离预期努力和实际努力，为理解视觉搜索中线索使用的认知机制提供了重要见解。虽然未能证实预期努力对负性线索使用的促进作用，但揭示了努力预期与任务难度匹配的重要性，以及正性线索效益在注意力控制中的适应性变化。这些发现强调了需要超越单一的“任务难度”概念，转而考虑其具体的认知成分，才能全面理解注意力控制的适应性机制。