算术任务中的认知负荷对任务无关听觉刺激检测与神经加工的影响：一项事件相关电位研究

《Neuroscience of Consciousness》：Doing the math: detection and neural processing of auditory task-unrelated stimuli while solving arithmetic tasks

　　

负荷理论（Load Theory）提出，知觉负荷会损害任务无关刺激的加工。然而，越来越多的证据表明，不仅知觉需求，认知任务负荷同样会影响任务无关刺激的加工。当前的事件相关电位（event-related potential, ERP）研究考察了由算术运算诱发的认知负荷对强度调制短音（beep tones）检测及其神经加工的影响。实验任务基于知觉上完全相同的数字显示但给予不同指导语。结果显示，在不同信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）条件下，高负荷（high load, HL）相较于低负荷（low load, LL）均表现出刺激检测率下降以及ERP中P3b成分幅值降低。然而，基于典型的平均参考（average reference）分析流程，N1幅值未受负荷影响。当采用连接乳突参考（linked mastoids reference）并施加强滤波时，在最高SNR条件下观察到了负荷对N1的影响。由此可见，分析流程可能影响研究结果。尽管如此，在跨SNR水平的困难数学任务中，任务无关听觉刺激被报告觉察的概率较低，这一现象似乎主要由晚期神经效应驱动。

论文解读

一、研究背景与问题

注意资源如何在不同任务间分配，是认知心理学与认知神经科学的核心议题之一。负荷理论（Load Theory）最初由Lavie和Tsal（1994）及Lavie（1995）提出，认为知觉负荷决定注意选择的位置：在低负荷条件下，只要资源充足，信息无论是否与任务相关都会被加工；而在高负荷条件下，资源达到饱和，只有任务相关信息得到加工。该理论后来被扩展至工作记忆负荷领域（Lavie et al., 2004）。尽管早期研究提示知觉负荷与工作记忆负荷对干扰刺激加工存在相反的效应，后续研究在可比实验条件下发现两类负荷对信息加工产生相似影响（Brockhoff et al., 2022综述）。

关于任务负荷究竟影响任务无关刺激加工的哪个阶段，可通过ERP研究加以考察。典型成分包括N1和P3相关成分。N1成分与更广泛的感官区域激活相关，反映早期刺激增益过程；P3a与新奇性和偏差加工有关，P3b则与更精细的刺激加工、注意和决策相关。在听觉刺激加工方面，多数研究发现知觉负荷或工作记忆负荷与P3a和P3b幅值下降相关，但N1成分的结果在文献中并不一致：许多研究未发现负荷对N1的影响，也有研究报告高负荷下N1幅值降低。这表明负荷效应稳定地影响晚期、知觉后加工阶段，而对早期知觉阶段的影响尚无定论。

除知觉负荷和工作记忆负荷外，部分研究采用不直接操控知觉因素或工作记忆直接负荷的任务操纵，如反应选择、动词生成或数学运算等认知操作复杂性。多数研究发现此类认知任务负荷增加会减少干扰刺激加工，ERP研究也大多发现任务负荷影响简单音调的P3反应，而N1要么未被考察、要么不受影响、要么在高负荷下降低。然而，此前尚无研究将此类认知负荷对诱发电位的影响与负荷操纵的知觉后果——即不同认知负荷下呈现刺激的可检测性——直接联系起来。由此产生的研究问题是：由不同数学运算诱发的认知负荷是否会降低任务无关听觉刺激的检测，以及这是否与这些刺激的早期抑制有关。

二、研究内容与结论概述

本研究考察了由算术运算诱发的认知负荷对任务无关短音检测及其神经反应的影响。数学任务为研究认知操作复杂性对任务无关音调加工的影响提供了合适范式——与知觉或纯工作记忆任务不同，数学任务需要超越初始加工和信息时间维持的高阶认知操作。实验设计与此前研究知觉负荷和工作记忆负荷的范式类似：参与者需完成加法（低负荷条件）或乘法（高负荷条件）两位数运算，同时忽略背景噪声中偶尔出现的短音，并在主任务后报告是否听到该音及其确信程度。研究者系统考察了负荷条件对音调检测和神经加工的影响，并通过设置低、中、高三种信噪比（SNR）条件来考察刺激强度在负荷效应中的作用。

行为层面，研究预期低负荷条件下视觉任务表现和音调检测率均高于高负荷条件，且音调检测率随SNR升高而提高。ERP层面，研究假设N1和P3b幅值随SNR升高而增大，P3b幅值在低负荷条件下高于高负荷条件；对N1是否受负荷影响则无明确假设。研究采用较大样本、SNR变化以及频率学派、贝叶斯和多重宇宙（multiverse）分析相结合的策略，旨在检验高负荷是否降低听觉N1，其中贝叶斯分析还可检验无差异的零假设。

研究招募了45名参与者，最终有效样本为37人（18名男性，19名女性；年龄22–35岁，平均26.7岁）。参与者来自明斯特大学（University of Münster），均具有正常或矫正至正常的视力和听力，无神经或精神疾病史。研究获得威斯特法伦-利佩医学协会和明斯特大学伦理委员会批准。

三、主要技术方法

研究采用64导BioSemi主动电极进行脑电（EEG）记录，采样率512 Hz，主分析采用平均参考和0.1 Hz高通滤波，探索性分析采用连接乳突参考和1 Hz高通滤波。眼动追踪（Eyelink 1000，采样率1000 Hz）用于实现基于注视的刺激呈现并监测瞳孔直径变化。行为数据中，数学任务表现以敏感性指数d′衡量，音调检测以aZ指标（反映接受者操作特征曲线下面积）衡量。ERP分析聚焦N1和P3b两种成分，采用重复测量方差分析，并辅以贝叶斯统计和多重宇宙分析（变换电极选择和时间窗）检验结果的稳健性。瞳孔数据采用基于聚类的置换检验（cluster-based permutation）进行比较。

四、研究结果

数学任务表现。 低负荷条件下的d′（M = 4.12, SD = 0.6）显著高于高负荷条件（M = 1.48, SD = 0.87），t(36) = 22.64, p < .001，表明低负荷条件下参与者的数学任务表现显著更优。

音调检测。 重复测量方差分析显示负荷主效应显著（F(1,36) = 35.82, p < .001, η_p² = 0.5），SNR主效应显著（F(2,72) = 510.57, p < .001, η_p² = 0.93），负荷与SNR的交互作用显著（F(2,72) = 5.91, p < .01, η_p² = 0.14）。事后检验显示，音调检测准确率随SNR升高而提高；负荷效应从中SNR到高SNR均显著，即高负荷条件下音调检测率显著低于低负荷条件。

瞳孔测量。 聚类分析发现显著聚类：高负荷条件下瞳孔直径在数字显示开始后约2秒起显著大于低负荷条件（聚类质量 = 543.898, p = .009），表明高负荷条件确实更为困难。

N1成分。 负荷主效应及负荷与SNR的交互作用均不显著（所有p ≥ .33）。贝叶斯重复测量方差分析显示最可能的模型仅包含SNR主效应（BF_M = 20.7），对额外纳入负荷项存在中等证据支持零假设（BF₀₁ = 5.81），对纳入负荷与交互项存在极强证据支持零假设（BF₀₁ = 47.62）。结果表明N1幅值不受负荷影响。

P3b成分。 负荷主效应不显著（p = .24），但负荷与SNR的交互作用显著（F(2,72) = 5.55, p < .01, η_p² = 0.13）。事后检验显示，负荷效应从低SNR到高SNR显著增大（t(36) = ?3.6, p_holm < .01），贝叶斯t检验为此提供了极强证据（BF₁₀ = 32.71）。高负荷条件下中、高SNR音调的P3b幅值显著低于低负荷条件。

多重宇宙分析。 在所有电极选择和时间窗变换中，N1的SNR效应始终显著，负荷效应及交互作用始终不显著；P3b的SNR效应和交互作用始终显著，负荷主效应始终不显著。结果与主分析一致，表明结论稳健。

探索性分析。 在补充材料中报告了采用不同参考（连接乳突参考）和更强滤波（1 Hz高通）的探索性分析，结果显示在最高SNR条件下可能观察到负荷对N1的影响，提示分析流程可能影响研究结果。

五、讨论与结论

讨论部分指出，研究结果验证了认知负荷操纵的有效性：高负荷条件下较低的任务表现和更大的瞳孔扩张反映了更高的心理努力。行为层面，高负荷条件下音调检测率降低，与知觉负荷和工作记忆负荷研究的结果一致，但效应较小，表明任务负荷并非全或无现象，而需以相对方式定义。电生理层面，N1幅值不受负荷影响的结果得到贝叶斯分析、多重宇宙分析和大样本的支持，但探索性分析提示弱效应可能被忽视，且不同分析方法可能导致不同结论。P3b幅值在高负荷下降低，与行为结果相呼应，表明认知负荷对听觉加工的晚期效应与觉察报告概率相关。研究还指出，尽管P3b常被视为觉察的相关指标，但近期研究提示P3更可能反映注意、决策和检测任务中的信心。

研究结论部分翻译如下：本研究考察了参与者在进行认知需求水平不同的算术运算视觉任务时，对听觉刺激的检测及其神经加工。结果显示，与低负荷条件相比，高负荷条件下参与者的音调检测率降低，P3b神经幅值减小。然而，至少在主要分析流程下，未发现负荷对N1幅值的影响。这些发现表明，认知负荷程度影响注意资源的分配，进而影响听觉信息的加工，尤其在认知加工的后期阶段。这种听觉加工的晚期衰减似乎导致了听觉刺激报告率的降低。