从静态到动态：物体旋转如何影响模糊情境下的抓握决策——运动规划中的反向偏置效应

《Experimental Brain Research》：From static to dynamic: how object rotation influences grasp decisions in ambiguous settings

本研究针对运动模糊性场景，通过对比静态与动态视觉信息对物体抓握决策的影响，发现观察物体旋转会引发与静态 priming 相反的反向偏置效应，且该效应不受运动幅度和决策时间影响。研究揭示了动态情境下运动规划机制的新特性，为理解动作选择与感知-运动交互提供了新视角。

　　

在日常生活中，人们执行数百次与环境互动的动作，从抓取铅笔到演奏小提琴，每个任务都可能存在多种完成方式。通常情况下，动作选择是稳定的，由从以往经验中学到的最优、最高效策略决定。然而，在某些情况下，尽管物体属性保持不变、意图相同，个体选择的动作却会变化，缺乏对特定动作配置的明确偏好，这种现象被称为"运动模糊性"（motor ambiguity）。例如，当用右手抓取一支放置在桌子上的笔时，如果笔的方向与身体矢状面垂直，很自然地会将右手拇指放在靠近身体的一侧，食指放在远离身体的一侧。但当笔顺时针旋转接近与矢状面对齐时，虽然继续采用之前的抓握方式（视觉上右手拇指放在笔的左侧）仍然自然，但通过前臂旋转，将右手食指放在笔的左侧、拇指放在右侧也同样合理且舒适。这种运动模糊性原则也可延伸至手的选择以及使用精细抓握（precision grip）或力量抓握（power grip）的情境。

先前研究表明，在动作启动前呈现的语境会影响动作执行。自20世纪90年代以来，研究者发现如果先前呈现的启动物体（priming object）与目标物体在方向上一致，参与者能更快启动朝向目标的运动。在运动模糊性背景下，先前呈现物体的宽度会影响个体抓握模糊大小物体时的握距（grip aperture），抓握圆形物体时的抓握方向也会受到先前看到的椭圆形物体方向的影响。这被描述为"前摄影响"（proactive influence），即与第一个物体相关的运动准备会影响对次要目标的运动计划。然而，在现实生活中，抓握前可获得的信息通常是动态的，会随时间变化，例如准备接住下落的物体时一阵风改变了其轨迹。目前，尚不清楚当先验信息从静态转变为动态时，运动规划网络如何受到影响，以及这对模糊情境下的行为有何后果。

针对上述问题，Natalie J. Maffitt等人在《Experimental Brain Research》上发表了题为"From static to dynamic: how object rotation influences grasp decisions in ambiguous settings"的研究。该研究通过一系列精巧的行为实验，探讨了先前的静态与动态视觉信息如何影响个体在不同方向抓握物体时在两种可能的手部配置之间的选择。

研究人员首先证实了先前研究发现：在抓取模糊方向的目标之前，呈现物体的初始静态方向会导致受试者选择与初始确定性方向最一致的抓握方式。但出乎意料的是，当观察到物体在初始位置和目标位置之间旋转时，这种偏置发生了反转，即受试者选择了相反的抓握配置。这种反向偏置效应（inverse bias effect）的强度与运动幅度无关，即使允许更长的决策时间也持续存在。研究者讨论了感知和决策回路中可能体现这种行为现象的几种可能性。

关键技术方法方面，研究团队设计了抓握实验，参与者用右手对规则三棱柱块（长6 cm，底边2 cm）进行精细抓握动作。物体在额状面旋转，旋转轴指向受试者。通过戴在食指上的乳胶手套阻碍与物体接触电路的电气连接，记录每次试验的抓握选择（抓握1或抓握2）。实验前通过校准任务估计每个受试者的"转换点"（switch-point），即使用任一种抓握的概率均为50%的角度。主要实验任务中，受试者首先观察目标物体处于随机初始角度（不抓取），然后物体顺时针或逆时针旋转5.4°、14.4°或28.8°到达目标角度后进行抓取。研究包含静态实验（通过LCD眼镜遮挡物体旋转）和三个动态实验（可观察物体旋转，但Go cue相对于旋转开始的时间不同：-50 ms、150 ms和500 ms）。此外，还进行了感知研究，探讨观察方向变化对目标位置感知的影响。

静态实验

结果证实了先前的研究发现：目标角度对抓握选择有显著影响。更重要的是，旋转方向也是一个显著因素，即初始角度的呈现偏向于受试者在后续模糊目标角度上采用与初始位置一致的抓握。这与文献中报道的启动效应一致。

动态实验1

当受试者能够观察物体从初始角度到目标角度的旋转时，目标角度仍然是显著因素。然而，旋转方向的影响与静态实验相反：在初始位置可能需要抓握1的物体顺时针旋转到模糊目标角度时，受试者随后采用抓握2的可能性增加，反之亦然。这被称为"反向偏置效应"。

动态实验2和3

为了探讨Go cue时间点对反向偏置效应强度的影响，研究人员将旋转开始到Go cue的延迟从-50 ms（动态实验1）增加到150 ms（实验2）和500 ms（实验3）。将三个实验的数据合并到一个广义线性混合效应模型（GLME）中分析，发现延迟时间本身对抓握选择没有显著影响，方向因素仍然显著。然而，目标角度与延迟之间存在显著的交互作用，表明随着计划时间的增加，抓握选择的不确定性降低（通过半宽度Halfwidth衡量）。反向偏置效应在更长的计划时间下仍然存在，但视觉上CW和CCW旋转方向之间的抓握选择概率差异在较长的延迟下变窄，表明效应强度可能略有减弱，但这在统计上不显著。

反应时间和运动时间

尽管实验没有强制要求受试者尽快反应（强调抓握的准确性和舒适性），但反应时间（RT）仍反映了皮层回路在抓握之间选择所需的时间。反应时间和运动时间（MT）均随着延迟的增加而显著减少，表明在延迟间隔期间参与了准备过程。此外，靠近模糊度中心的目标方向的反应时间比更确定的方向更长，这与先前的工作一致。

感知任务

为了研究反向偏置效应是否可归因于观察物体旋转后目标位置感知的变化，研究人员进行了单独的感知研究。受试者观察物体从初始角度到目标角度的旋转，但在目标角度呈现后视觉被短暂遮挡，然后重新显示物体处于测试角度，要求报告测试角度相对于目标角度是更CW、更CCW还是"未变"。在非捕捉试验（目标角度=测试角度）中，错误决策的比例不受从初始角度到目标角度的旋转方向的影响。这表明，在抓握任务中观察到的反向偏置效应不能归因于物体位置的误判，可能与其他知觉现象或运动规划过程有关。

讨论

本研究将受试者置于模糊情境中，抓握一个提供两种精细抓握（抓握1或抓握2）可能的物体，以比较静态和动态视觉运动启动对运动模糊性的影响。与之前的启动研究一致，静态实验表明，呈现物体的初始启动方向足以影响当物体随后显示在模糊方向时的抓握选择。具体而言，受试者对目标角度的抓握选择偏向于与他们可能用于初始位置的方向一致的方向。然而，当物体从初始角度到目标位置的旋转可见时，发现了旋转方向偏置对抓握选择的显著但相反的效应（动态实验1-3），即反向偏置效应。

研究结果不支持"背侧健忘假说"（dorsal amnesia）的预测，即物体运动将阻止前摄影响（预测2）。相反，可见的旋转及其方向性影响了抓握选择。即使将旋转开始到Go cue的延迟增加到150 ms和500 ms，仍然产生了反向偏置效应，尽管延迟持续时间不是影响效应强度的显著因素，但更长的计划时间下，CW和CCW旋转方向之间的抓握选择概率分离变窄，表明反向偏置效应的强度可能非显著地减弱。

观察物体运动的另一个影响是增加了抓握选择的不确定性，表现为目标角度和延迟之间的显著交互作用，以及半宽度随着延迟增加而减小。当在物体运动后允许更长的计划时间时，不确定性降低，反向偏置效应可能减弱。

关于物体运动诱导这些不确定性增加迹象的机制，以及它们如何与反向偏置效应相关联，需要进一步研究。研究者提出几种可能性：对于动态实验1（Go cue在物体旋转开始前立即触发），在知道目标方向之前启动运动规划可能解释了更大的不确定性，并导致参与者错误地预测最终的目标方向。尽管预测移动物体的未来位置是一项常见的任务，但已报道了一些一致的偏差。过度估计最终目标位置可能会使受试者计划与实际目标位置所用抓握不同的抓握，这可能是反向偏置效应的一种机制。另一种可能性是快速的物体旋转导致目标角度的视觉感知发生短暂变化，例如弗勒利希效应（Frohlich effect）和表征动量（representational momentum）等视觉错觉。然而，感知研究的结果并不支持物体位置误判错误，表明反向偏置效应可能与运动规划或其他知觉现象（如表征动量）有关。

在提供不止一个可能动作的情境中，大脑会在选择一个之前准备多个竞争性运动。当呈现多个触及目标并被迫在知道最终位置之前行动时，初始运动向量反映了竞争性运动计划的平均值。连续呈现潜在目标可能导致前摄影响，即与第一个目标相关的运动准备会影响对次要目标的运动计划。本研究中静态实验观察到的偏置效应与此种前摄协同优化（proactive co-optimisation）一致。有趣的是，对于所有实验，从模糊开始并以模糊结束的试验仍然产生了偏置效应。对此的一种解释可能是，初始和目标位置之间物体方向的对比，或者不同选择确定性之间的对比，是诱导这种偏置效应所必需的。

关于动态实验1-3中观察到的反向偏置效应，一些先前研究报道了对启动刺激的类反向效应。例如，一项研究中，参与者在观察到小物体后扩大其手指握距以抓取连续的中等大小物体，而在观察到大启动物体后缩小其手指握距，这可能是乌兹纳泽错觉（Uznadze illusion）的结果。本研究的反向偏置效应可以被解释为模糊抓握情境中乌兹纳泽式后效的证据。

如果抓握网络中两个神经群体在运动模糊性情境中竞争每种抓握（即同时规划），那么观察物体从其中一个群体的偏好位置移开可能首先抑制其活动，然后促进与交替抓握对应的活动。潜在动作的对抗已知受到各种皮层和皮层下输入的偏置，竞争在一个相互连接的前额-顶叶系统中展开。支持给定选择的证据会导致其神经群体活动增加，而反对选择的信息会导致其神经群体活动抑制。可用信息的增加在正常情况下会减少反应时间，但在本研究中，观察到反应时间随着延迟增加而减慢。增加可用信息（观察物体旋转）可能不会增强处理，而是通过迫使动作选择网络进行进一步处理，或引入超过从未遮挡视觉获得的任何额外信号的噪声，从而使决策复杂化，从而导致在-50 ms延迟时更长的反应时间。

总之，虽然静态视觉运动启动已被证明促进动作计划收敛于单一意图从而促进运动执行，但模糊情境下的抓握选择机制也会受到抓握执行前观察物体运动的影响和潜在干扰。这种效应可能不是由于物体位置的误判，但可能归因于从表征动量等知觉现象到涉及竞争神经群体的皮层抑制回路等多种过程的后果。针对破坏运动规划过程的进一步实验可能有助于厘清这种反向偏置背后的神经机制。理解这些神经机制，特别是这种运动偏置背后的初始抑制，可能对表现出运动规划和执行缺陷的神经退行性疾病（例如帕金森病和肌张力障碍）具有启示意义。