基于早期与延迟双相适应机制的双眼竞争感知动力学建模研究

《IEEE Transactions on Cognitive and Developmental Systems》：Early and delay phase adaptation for perceptual dynamics in binocular rivalry: A modeling approach

本文针对传统双眼竞争模型难以解释新近发现的"错配效应"问题，提出了一种融合早期与延迟双相适应机制的混合神经网络模型。研究通过计算机模拟验证了该模型能够同时复现Levelt定律、闪现效应和错配效应三大现象，揭示了感知交替过程中预测误差与适应性反馈的互补作用机制，为理解大脑动态感知过程提供了新的计算框架。

　　

当左右眼同时接收不同的视觉信息时，我们的大脑并不会产生重叠影像，而是会出现奇妙的感知交替现象——这就是双眼竞争（binocular rivalry）。这种现象如同一个天然的认知实验室，让科学家能够窥探意识感知的动态机制。在长达数十年的研究中，研究者们发现了三个标志性现象：描述刺激强度与感知优势时长关系的Levelt定律、先导刺激时长影响初始感知的闪现效应（Flash effect），以及新近发现的错配效应（Mismatch effect）——当意外偏差刺激出现时，感知交替会因刺激呈现于意识层或潜意识层而产生不同变化。

传统上，基于双稳态动力学和延迟适应（delay adaptation）机制的神经网络模型能够较好地解释前两种现象，但在面对需要预测误差处理机制的错配效应时却显得力不从心。这促使研究者思考：是否还存在另一种更早期的适应机制在感知过程中发挥作用？

为了解决这一难题，东京科学大学的研究团队创新性地提出了融合早期与延迟双相适应机制的混合模型（Hybrid adaptation model）。该研究通过系统性的计算机模拟，首次实现了对双眼竞争三大现象的完整解释，论文发表于《IEEE Transactions on Cognitive and Developmental Systems》。研究结果表明，早期适应（early adaptation）机制负责处理预测误差，而延迟适应机制则承担感知后适应的功能，两者协同工作才能全面解释复杂的感知动态过程。

研究方法上，团队构建了三种神经网络模型进行对比研究：仅含延迟适应的传统模型、仅含早期适应的预测模型，以及新提出的混合模型。通过设定不同的刺激条件（包括刺激强度、持续时间和偏差刺激呈现方式），研究人员系统评估了各模型在复现Levelt定律第四命题、闪现效应和错配效应方面的表现。数值模拟采用四阶龙格-库塔法，并引入奥恩斯坦-乌伦贝克过程（Ornstein-Uhlenbeck process）模拟随机扰动。

在Levelt定律验证中，所有模型均能复现第四命题的非单调关系——当双眼刺激强度同步增加时，感知优势时长先减后增。这一结果证实了模型在基础感知动态方面的有效性。

闪现效应的模拟结果呈现出显著差异：延迟适应模型和混合模型都能复现实验观察到的现象——短时程先导刺激产生易化（facilitation），长时程则导致抑制（suppression），且效应强度随刺激对比度降低而减弱。而早期适应模型仅表现出易化效应，无法解释完整的闪现现象。深入分析表明，混合模型中的延迟单元（delay unit）通过其长时程常数特性，在长时间刺激下积累抑制效应，从而实现对先导刺激时长的敏感性响应。

在最具挑战性的错配效应模拟中，早期适应模型和混合模型成功复现了关键实验发现：在潜意识偏差（Unconscious deviant）条件下，感知优势时长随失匹配脉冲（mismatch pulse）强度增加而显著缩短（Spearman相关系数ρ=-1.00，P<0.001）；在意识偏差（Conscious deviant）条件下，优势时长则相对标准条件延长。相反，延迟适应模型表现出完全相反的趋势。这一差异凸显了早期适应机制在处理预测误差方面的核心作用——早期适应单元的活动相位领先于感知单元，能够对意外偏差做出快速响应。

研究进一步通过单元活动轨迹分析揭示了双相适应机制的工作机理。在闪现效应中，混合模型的延迟单元起到决定性作用：短时刺激下延迟适应积累不足导致易化，长时刺激下强延迟适应导致抑制。在错配效应中，早期适应单元发挥关键作用：潜意识偏差刺激作用于活动上升期的适应单元，增强其对侧感知单元活动促发交替；意识偏差刺激则作用于活动下降期单元，延长当前感知优势。

讨论部分指出，该研究的理论框架与近期神经科学发现高度吻合。Feuerriegel（2024）提出的视觉适应双机制分类——基于疲劳的刺激敏感机制和基于预期的适应机制，正好对应了混合模型中的延迟适应和早期适应组件。从神经解剖学角度看，感知单元可能对应高级皮层（如颞叶、前额叶）神经元，而早期适应单元则与初级视觉皮层中即使感知被抑制仍保持活动的神经元特征相符。

这项研究通过计算建模方法首次明确揭示了双相适应机制在感知动态中的互补作用。早期适应负责基于预期的预测误差处理，延迟适应承担感知后适应功能，两者协同工作才能完整解释从基础感知特性到复杂预测加工的各种现象。这一模型不仅为理解双眼竞争提供了统一框架，也为探索更广泛的感知决策、意识交替等认知过程提供了新视角。未来研究可在此基础上进一步探索多感官整合、注意调制等高级认知因素如何与双相适应机制相互作用，从而更全面地揭示大脑感知动态的奥秘。