点阵邻近分组中的双稳态与滞后效应：基于Lotka-Volterra-Haken模型的动态感知机制解析

《Scientific Reports》：Bistability and hysteresis in the proximity-based grouping of dot lattices

本研究针对视觉感知中多稳态现象的动态机制尚不明确的问题，通过设计渐进式点阵刺激序列，结合心理物理学实验与Lotka-Volterra-Haken（LVH）动力学模型，首次量化了邻近分组中的滞后效应。结果表明，滞后现象不受方向偏好影响，且个体间存在跨轴一致性，LVH模型成功揭示了感知切换的分岔特性，为理解知觉组织的动态竞争提供了机制性解释。

　　

当我们注视一张由规则排列的点构成的图像时，大脑可能会在几种不同的组织方式之间“摇摆不定”——例如，将点阵视为按行、按列或按对角线分组。这种被称为“多稳态感知”的现象，揭示了视觉系统在解释模糊刺激时的主动建构过程。其中，基于邻近性原则的分组是格式塔心理学的核心法则之一，但对其动态切换机制，尤其是时间序列上下文如何影响分组稳定性，仍缺乏深入探索。尽管早期研究者Wertheimer曾描述过“客观设定因子”导致的感知延迟，但一个世纪以来，缺乏参数化实验数据支持其量化分析。

为此，发表于《Scientific Reports》的一项研究，通过精心设计的矩形点阵刺激，结合渐进变化的纵横比（Aspect Ratio, AR）序列，系统考察了邻近分组的双稳态与滞后效应。研究团队还首次将Lotka-Volterra-Haken（LVH）动力学模型引入该领域，为感知竞争提供了数学框架。

关键技术方法

研究采用2（轴：Cardinal vs. Oblique）×2（方向：Baseline vs. Perpendicular）被试内设计，招募34名右利手参与者。通过Psychtoolbox-3生成13种AR值的点阵刺激，在升序与降序序列中呈现，记录分组判断。数据经心理测量函数拟合提取主观相等点（PSE）与滞后量，并利用LVH模型进行分岔分析与参数估计（偏好参数γ、相互抑制参数g）。统计采用线性混合效应模型（LMM）比较条件差异。

研究结果

心理测量函数验证滞后效应

在所有实验条件下，升序转换点均显著高于降序点，形成滞后环（图3）。心理测量函数拟合优度（R2＞0.99）表明模型能准确捕捉分组概率随AR的变化。

方向偏好影响主观相等点

Cardinal轴中，基线方向（垂直固定）的PSE早于平衡点（AR=1），而垂直方向（水平固定）的PSE显著延迟（图4），证实强烈垂直偏好。Oblique轴中PSE接近平衡点，仅存在微弱135°偏好。线性混合模型显示轴与方向交互作用显著（p<0.05）。

滞后效应具个体一致性且不受方向偏好调制

滞后量在所有条件下均为正值，且轴与方向无显著影响（图5B-C）。个体在Cardinal与Oblique轴的滞后量高度相关（r=0.806），提示滞后可能为稳定的个体感知特征。

LVH模型揭示感知竞争动力学机制

LVH模型模拟的振幅轨迹（图6A、D）显示，控制参数α（标准化AR）的渐变引发A?、A?（对应分组神经活动振幅）的竞争性分岔。模型精准预测转换点（误差＜3%），且模拟与实测心理曲线高度吻合（图6C、F）。参数估计表明，Cardinal轴的γ（≈1.99）显著高于Oblique轴（≈1.04），反映垂直偏好更强；相互抑制参数g＞1说明系统存在“赢者通吃”竞争。

结论与意义

本研究通过动态实验范式与LVH模型，首次量化了邻近分组中的滞后效应，并证明其不受空间方向偏好调制。滞后量的个体一致性提示其或为感知系统的稳定特质。模型参数（γ、g）将行为观察转化为神经竞争机制的量化指标，揭示了感知切换的分岔本质。该框架为理解多稳态感知的动态机制提供了新视角，并可扩展至其他分组原则（如相似性、连续性）的研究。未来工作可结合神经成像技术，进一步验证LVH模型与大脑活动模式的对应关系。