听觉-触觉空间整合的发展：揭示视觉的贡献

《Developmental Science》：The Development of Audio-Tactile Spatial Integration: Unraveling Vision's Contribution

听觉-触觉空间整合在儿童不同年龄阶段及视力障碍者中的发展差异研究。结果显示，视力正常儿童需至12岁才能实现最优多感官整合，而盲人儿童单模态定位精度更高但多感官整合无显著提升。触觉精度在视力正常儿童中较早稳定，听觉则持续发展至15岁。视觉经验影响多感官整合的成熟时间。

　　视觉被认为是空间感知的主要感官。然而，视觉如何影响其他感官的精炼过程仍不明确。因此，我们研究了在一项定位任务中，参与者如何确定听觉、触觉以及听觉与触觉联合刺激的位置，以及视觉经验在此过程中的作用。我们测试了不同年龄段的有视力儿童和盲童，结果表明，在有视力儿童中，触觉空间感知比听觉更早稳定，而听觉与触觉的最优整合仅在12岁之后才出现。相反，盲童在更早的年龄就表现出更高的单感官定位精度，尽管他们在多感官表现上没有随着年龄增长而显著提升。总体而言，我们的研究结果表明，听觉与触觉的空间整合在儿童时期发展较晚，视觉可能在这个过程中起到关键作用，也就是说，视觉的缺失可能促使其他感官在处理身体刺激时更早地发展。

本研究有两个主要目标：（1）确定听觉与触觉整合何时会减少感知的不确定性，正如最大似然估计模型（MLE）所预测的那样；（2）探讨视觉在听觉和触觉定位以及它们整合中的作用。为了实现这两个目标，我们使用了一项听觉与触觉定位任务，参与者接收听觉、触觉或听觉与触觉联合刺激（空间上一致或不一致），这些刺激均作用于前臂。通过单感官条件，我们可以研究这两种感官在儿童发展中的精度轨迹，并根据MLE模型测试双感官行为的预测。同时，通过包含双感官条件，我们可以检验双感官刺激是否在与单感官刺激相比时减少了不确定性（即提高了精度），以及这种减少是否达到最优水平。此外，通过区分一致与不一致的双感官条件，我们可以获得有关可能的感官主导性及其在空间不一致情况下的感知偏差的信息，类似于“口技效应”。我们测试了一组7至15岁的有视力儿童和青少年，包括之前研究中已经探讨过的多感官整合发展的相关年龄段。这有助于我们识别最优整合开始显现的时间窗口。同时，我们还纳入了7至18岁的盲童和青少年，并将他们的表现与有视力的同龄人进行比较，以探索不同年龄段在定位技能的单感官发展和听觉与触觉整合上的潜在差异。

研究中使用的设备是定制的MSI Caterpillar，它由Matlab 2018b控制。每个模块的大小为3.5厘米，覆盖约9度的视觉角度。我们使用了七个连接的模块来创建一条线，并将其放置在参与者的左前臂上（见图1）。触觉刺激是一个230Hz的振动，持续时间为10毫秒，而听觉刺激是一个1kHz的蜂鸣声，持续时间为50毫秒。刺激可以是听觉、触觉或听觉与触觉的组合，并且位置由一个自适应算法QUEST决定，该算法使用贝叶斯方法根据之前试验的信息来设置新的位置。每个条件重复40次，总共进行200次试验。

为了分析参与者在群体层面的精度，我们使用广义线性混合模型（GLMM）拟合了“比较更接近手（即右侧）”的概率，并采用对数似然函数作为链接函数。模型包括组别（有视力、盲）、条件（单感官听觉、单感官触觉、双感官一致、双感官不一致手部和双感官不一致肘部）、探针位置（-27°, -18°, -9°, 0°, 9°, 18°, 27°，其中0°代表设备的中心）和年龄组（8-9岁、10-11岁、12-15岁）作为固定效应。所有主效应以及这些因素之间的两两、三重和四重交互作用都被纳入模型。为了考虑个体间的差异，我们还为每个参与者添加了一个随机截距。通过比较完整模型（包括三重和四重交互作用）与简化模型（仅包含主效应和两两交互作用）的似然比检验，我们发现完整模型显著优于简化模型，这表明条件、组别、年龄组和位置之间的高阶交互作用显著增强了模型的解释力，并应保留在模型中。这些交互作用表明，条件对参与者反应的影响因组别和年龄而异，反映了有视力和盲童之间在精度上的差异。总体来看，GLMM显示盲童在群体层面的精度优于有视力儿童。然而，我们还可以总结出三个主要发现：在有视力儿童中，听觉与触觉的整合在12至15岁之间开始发展，而在盲童中并未观察到显著的多感官优势；听觉和触觉的定位精度表现出不同的发展轨迹；这些发展趋势在有视力和盲童之间也有所不同。

在盲童中，听觉定位的精度似乎比触觉更早发展。对于听觉条件，不同年龄组之间没有显著的精度差异（8-9岁与10-11岁：t = 0.74, p = 0.46；8-9岁与12-15岁：t = 0.09, p = 0.93；10-11岁与12-15岁：t = 0.98, p = 0.32）。相反，触觉精度在12岁左右才趋于稳定（10-11岁与8-9岁：t = 0.4, p = 0.69；8-9岁与12-15岁：t = 2.88, p = 0.004；10-11岁与12-15岁：t = 2.68, p = 0.007）。这种模式与有视力儿童相反，有视力儿童中触觉定位先于听觉定位发展。此外，在8-9岁组中，盲童在听觉和触觉定位精度上与有视力儿童相比并无显著差异（8-9岁组：t = 0.19, p = 0.84；10-11岁组：t = 0.11, p = 0.92）。然而，在12-15岁组中，盲童的触觉精度显著优于有视力儿童（t = 3.96, p < 0.001），这可能是因为盲童在触觉条件中表现出更高的精度。

为了评估参与者是否从多感官呈现中获益，我们首先将双感官JND与每个参与者最佳的单感官JND（即听觉或触觉中精度更高的那一项）进行比较。如果将双感官JND与单感官条件进行比较，可能会因信号精度差异较大而产生假阳性，尤其是在单感官精度差异显著的情况下。因此，我们选择了每个参与者最佳的单感官线索（JND）进行比较，并使用配对双尾t检验对每个年龄组和参与者组进行检验，这是多感官整合的一个必要条件。对于盲童组，尽管他们表现出较高的精度，但比较结果显示，在多感官条件下，盲童的精度与单感官条件相比并无显著差异，这与之前的研究一致，表明盲童在空间任务中缺乏显著的多感官整合。然而，值得注意的是，盲童在所有条件下的定位精度均高于有视力儿童，因此在某些情况下，可能已经达到了极高的精度，使得引入多感官刺激难以进一步提升表现。此外，我们还计算了每个参与者的信号-噪声比，以衡量两种单感官输入的相对可靠性。虽然高比值（如>2）通常与有限的整合优势相关，但我们的数据表明，信号比在不同组别和年龄段之间相对平衡，这表明盲童在多感官整合方面缺乏显著优势可能不是由于信号可靠性失衡所致。因此，我们需要更敏感的实验设计或更大的样本量来进一步验证盲童在多感官整合方面的表现。

在单感官条件下，有视力儿童的听觉定位精度显著低于触觉定位精度。这一结果在所有年龄组中均得到支持（8-9岁：t = 3.76, p < 0.001；10-11岁：t = 4.77, p < 0.0001；12-15岁：t = 3.1, p = 0.002）。此外，触觉精度在10-11岁左右趋于稳定，而听觉精度则继续改善，直到12岁之后。这表明，触觉定位的发展比听觉定位更早，这可能是因为触觉与身体位置和物体接触皮肤的反馈密切相关，这可能使得触觉空间感知在发展过程中更快达到成人的水平。对于盲童，听觉精度在测试的年龄范围内没有显著变化，但触觉精度在12-15岁显著提高。这可能是因为盲童在早期生活中没有视觉输入，因此触觉成为主要的定位方式，并且在发展过程中不断优化。

当我们将盲童和有视力儿童的表现进行比较时，发现盲童在8岁左右的年龄组中，无论是听觉还是触觉定位，都比有视力儿童更精确。这些结果与之前关于盲人成年人的研究一致，表明盲人可能在听觉和触觉定位方面表现出更优的空间能力。这种现象可能与盲人使用身体的解剖坐标来定位单个输入有关，而不像有视力个体那样存在空间重映射现象，例如“跨手效应”。此外，我们所使用的实验范式可能放大了这一结果，因为定位任务与身体坐标紧密相关，参与者需要根据前臂的位置（更接近手或肘）来判断刺激的位置。

然而，本研究也存在一些局限性。其中最主要的局限是盲童样本的规模较小，这限制了我们检测显著发展趋势或多感官整合效应的能力。此外，盲童群体中的年龄分布可能引入变异，因为不同年龄段的发展差异可能没有被均匀覆盖。另一个潜在的限制是任务设计，它主要依赖于身体坐标参考系，这可能限制了我们对盲童在外部参考系中发展空间技能的探索。未来的研究应包括更大的年龄范围，并探索不同复杂程度的空间任务，以更好地理解多感官整合在不同感官和空间背景下的发展。

综上所述，本研究得出的结论是，即使在没有视觉直接参与的任务中，听觉与触觉的最优整合在儿童发展过程中也是较晚出现的。在我们研究中，听觉与触觉的整合发展与听觉与视觉的整合（Gori et al., 2012）遵循相似的阶段。对于有视力儿童，最优整合仅在12-15岁出现，而盲童在所有测试的年龄组中均未表现出显著的听觉与触觉整合优势。对于12-15岁的盲童组，双感官精度并未显著低于最佳单感官线索，贝叶斯分析（BF = 0.37）支持了没有多感官优势的结论。然而，当我们将双感官精度与最优预测进行比较时，结果并不明确（BF = 1.07），这表明当前任务可能缺乏足够的敏感度或统计效力来检测整合，即使整合存在。需要指出的是，增加样本量可能会澄清这一问题，但结果可能朝向任何方向。当视觉在发展过程中缺失时，感官补偿机制被激活，其他感官可能得到增强，从而使得多感官输入带来的优势变得多余。然而，我们相信这种效应与涉及解剖坐标的参考系密切相关，增加任务的难度可能在盲童中揭示出整合效应。