双任务干扰：瓶颈机制还是资源限制？

吴彦文

（天水师范学院 教师教育学院，甘肃 天水741001）

不同的认知加工活动到底是如何相互影响，相互制约或相互促进的？对这样问题的探索经常在双任务范式中进行验证，其中应用最广泛的是心理不应期（the psychological refractory period，简称PRP）范式。在经典的PRP范式中，实验程序相继、快速地呈现两个不同的反应时任务，任务1通常为听觉（如辨别高音或低音）任务，任务2 为视觉辨别任务（如辨别不同颜色的字母），且这两个任务呈现的起点时间间隔不同步（Stimulus onset asynchrony，简称SOA）时，要求被试相继、快速地对这两个任务做出按键或口头报告反应。[1]通常，在较短的SOA 条件下，任务1 和任务2 在加工时间上有较高的重叠时，任务2的反应时被显著延迟。[1-2]SOA较短时任务2反应时被延迟的现象即PRP效应。[2-3]

在PRP效应的研究中最具有影响力的理论有两个。其中Pashler提出的反应选择瓶颈（response selection bottleneck，简称RSB）模型认为，一个任务的反应选择阶段属于中枢瓶颈（central bottleneck）阶段，当一个任务正在进行反应选择加工时，另一个任务的反应选择则无法进入瓶颈得到有效的加工。[1]根据RSB模型的假设，当任务1和任务2之间的SOA 较长时，任务1 的反应选择加工在任务2 的反应选择加工出现之前进行，任务2进行反应选择加工时任务1也已完成其反应选择加工，这时任务2的反应时不会受到SOA长短的影响，这种情况下任务1 和任务2 的反应时类似于两个单任务情境下的反应时任务。但当任务1 和任务2 之间的SOA 较短时，任务2 开始反应选择加工时任务1 尚未完成中枢反应选择加工，任务1的反应选择仍然占据中枢瓶颈，为了保证任务1反应选择加工的继续正常进行，中枢瓶颈开始发挥作用了，最后的结果是任务2 的反应选择必须在中枢瓶颈外暂时排队等待，直到任务1完成其反应选择加工，中枢瓶颈被释放后才能进入瓶颈并得到加工的机会。这时任务2的反应时会显著地受到SOA 长短的影响，SOA 越短，任务2 的反应时越长。由于任务2 的反应选择加工必须等待任务1完成其反应选择加工后才能进入中枢瓶颈，所以，SOA的长短以及任务2难度的变化不会对任务1 的加工产生任何影响，任务1 的反应时独立于SOA以及任务2难度的变化。RSB模型假设，两个任务的反应选择加工属于系列加工过程，当两个任务的反应选择加工重叠时会出现类似于瓶颈性质的结构性限制机制。

解释PRP 效应的另一个模型是Tombu 和Jolicoeur 提出的中枢资源共享（central capacity sharing，简称CCS）模型。[4]该模型认为，两个任务的中枢反应选择加工可以并行进行，但中枢资源的总量有限，当中枢资源被两个任务共享时，两个任务都将得不到充足的中枢资源而导致两个任务的加工速度都显著下降。CCS 模型对任务2 反应时的预测与RSB模型的假设相同，这两个模型均假定SOA在任务1 与任务2 间越短，任务2 的反应时数值越大。但在任务1反应时的预测上与RSB模型的假设显著不同，认为任务1的反应时显著受SOA长短以及任务2 难度变化的影响。CCS 模型强调当两个任务的反应选择加工重叠时，由于中枢资源能在两个任务间进行共享，两个任务能得到平行加工，因此不存在“全或无”的类似于瓶颈特征的限制机制。

目前两个理论模型都得到了大量实验证据的支持。[5-8]两个模型的主要分歧点在于在中枢反应选择阶段能否同时处理多个刺激以及任务1的反应时是否受到SOA长短以及任务2难度与复杂度变化的影响。[9]由于众多PRP 效应研究采用的实验材料不同，控制的变量各异，所以目前还难以整合二者的分歧，还需要作进一步的拓展性研究。但综合前人的研究发现，以前PRP效应研究所采用的两个任务之间基本上不存在语义关联，如任务1为高低音辨别任务，任务2 为视觉判断任务，或者任务1 为视觉判断任务，任务2为高低音辨别任务等。那么任务1 和任务2 之间没有语义关联的PRP 效应与具有语义关联的PRP效应是否存在显著不同？基于这个疑问，本研究融合了PRP 范式与Stroop 任务范式，任务1 为中英文辨别任务，任务2 为颜色判断任务。任务1不要求被试辨认清楚是哪一个具体的中文字或英文字，也不要求被试对中文字或英文字的字义做反应，只要求被试能区分屏幕上呈现的文字是中文字还是英文字即可。已有大量关于Stroop效应的研究表明，颜色字的字义具有自动激活的特征。[10-11]如果任务1 颜色字的字义能被无意识自动激活，那么任务1 的字义会对任务2 的颜色反应产生Stroop促进或干扰效应。这样本研究最关注的问题有三个：（1）在不同的SOA条件下颜色字的字义是否对颜色判断产生Stroop语义启动？（2）具有语义关联任务的PRP 效应与不存在语义关联任务的PRP效应是否存在显著不同？（3）两个任务产生的干扰是单向的还是相互干扰？

一、研究方法

1.被试

35 名本科生参加了实验，其中男8 名，女27名，所有被试报告视力或矫正视力正常，听力正常，无色盲或色弱患者，没有参加过类似的实验。

2.实验材料和仪器

实验中任务1 选用的中文颜色字为红、绿、蓝，英文颜色字为red、green、blue，6个颜色字的颜色均为黑色，通过PowerPoint 和Windows 自带的画图软件制成bmp格式的图片，中文字图片大小为54×54像素，字体为宋体。英文字图片大小为134×53 像素，Times New Roman 字体。任务2 选用的颜色为红色、绿色、蓝色，同样通过Windows自带的画图软件制成大小为67×67 像素的正方形颜色块。每种颜色的RGB如下：红色为255、0和0；绿色为0、255 和0；蓝色为0、0 和255。所有刺激均呈现在白色背景上，注视点“+”的大小为20 号宋体，黑色。本实验所有的刺激均在联想奔Ⅳ计算机上完成，所有刺激均呈现在17 英寸纯平显示器的中央，显示器分辨率为1024×768，刷新频率为75Hz。

3.实验设计

采用2（条件匹配：任务1颜色字字义与任务2颜色匹配一致、冲突）×4（SOA：50ms、100ms、300ms、800ms）×2（任务1 文字类型：中文颜色字、英文颜色字）三因素被试内设计。因变量为被试在各处理条件下的反应时和正确率。为了检验任务1 和任务2 之间是否产生相互影响，对任务1 各处理条件下的反应时和正确率数据也将按照2×4×2被试内设计的方式进行整理并检验。

4.实验程序

实验刺激的呈现和反应时记录均由E-prime1.1软件完成。整个实验分为两个阶段。第一个阶段为30 次的实验练习，目的在于让被试熟悉实验流程和按键反应，只有练习正确率达到90%或以上时才可进入正式实验阶段，达不到要求者重新开始一次实验练习，以此类推。每次实验开始时，先在屏幕中央出现注视点“+”，持续500ms，接着出现空白屏600 ms，空白屏消失后在屏幕中心点的左侧（屏幕中心位置水平轴偏左25%的位置）和右侧（屏幕中心位置水平轴偏右25%的位置）相继呈现任务1 和任务2. 任务1 在屏幕上呈现50ms、100ms、300ms或800ms后再呈现任务2，起点间隔时间由计算机随机控制。对任务1，要求被试判断呈现在屏幕左侧的字是中文字还是英文字，中文字用左手中指按Z键，英文字用左手食指按X键。对任务2，要求被试判断呈现在屏幕右侧的颜色块是红色、绿色还是蓝色，红色用右手食指按小键盘1键，绿色用右手中指按小键盘2键，蓝色用右手无名指按小键盘3 键。任务1 颜色字和任务2 颜色块的呈现时间均为200ms，任务1 和任务2 刺激消失后电脑屏幕保持2300ms 的白色空屏等待被试做出按键反应，被试反应后出现1000ms 的正确或错误等信息的反馈界面，反馈结束后出现1000ms 的空屏。被试对任务1和任务2的反应在2500ms内没有做出反应时，该次实验中任务1 或任务2 的反应时数据不被记录，算作一次错误反应。实验指导语告知被试两个任务同等重要，对两个任务都要作既准确又快速的反应，但要求对任务1的反应必须在任务2的反应之前完成。第二阶段正式实验的流程与实验练习阶段相同，不同之处在于正式实验不出现反馈界面。正式实验呈现192 次刺激，中间休息4次，休息时间由自己来定，整个实验持续约30 分钟。

二、结 果

1.中英文辨别任务（任务1）

在资料进行统计分析前，剔除任务1 和任务2数据中小于200ms 和大于2000ms 的反应时数据（最终1.45%的任务1 和1.19%的任务2 反应时数据被剔除），剔除1名任务2正确率低于80%的被试数据。由于任务1 和任务2 各处理条件下的平均正确率均在94%到98%的狭小范围内，所以对任务1和任务2 的正确率数据不再做进一步的处理和分析。表1和表2分别为被试在任务1和任务2各处理条件下的平均反应时。对条件匹配、SOA和文字类型的反应时数据进行2×4×2的重复测量方差分析。

表1 不同SOA条件下中英文辨别任务的反应时（ms）及标准差

对任务1的方差分析结果表明，条件匹配的主效应不显著，F（1,33）=0.51, p＞0.05. SOA 的主效应显著，F（3,99）=3.41,p＜0.05,η2p=0.09，SOA 为50ms、100ms、300ms 和800ms 时中英文辨别任务的反应时分别为743ms、733ms、708ms 和715ms，进一步的配对比较发现，启动词呈现时间为50ms和300ms 条件下任务1 的反应时差异显著（p＜0.05）。文字类型的主效应非常显著，F（1,33）=12.29，p＜0.01,η2p=0.27，被试辨别中文颜色字的速度（740ms）显著慢于辨别英文颜色字时的速度（709ms）。条件匹配和文字类型的交互作用显著，F（2,66）=7.69，p＜0.05,η2p=0.10.进一步的简单效应分析发现，当任务1为中文字时，条件匹配为一致条件下的反应时显著快于冲突条件下的反应时，F （1,33） =4.96，p＜0.05；但当任务1 为英文字时，一致和冲突条件下的反应时差异不显著，F（1,33）=1.28,p＞0.05。其他的交互作用均呈现不显著差异。

2.颜色辨别任务（任务2）

对任务2的方差分析结果表明，条件匹配的主效 应 非 常 显 著，F （1,33） =19.35, p＜0.001, η2p=0.37，任务1 颜色字字义与任务2 颜色匹配一致时的反应时（709ms） 显著快于冲突时的反应时（748ms）。SOA的主效应非常显著，F（3,99）=194.34,p＜0.001, η2p=0.86，SOA 为50ms、100ms、300ms 和800ms 时，中英文辨别任务的反应时分别为850ms、809ms、668ms 和587ms，通过进一步的配对比较发现，两两之间的差异均非常显著（p＜0.001）。文字类型的主效应非常显著，F（1,33）=29.58, p＜0.001, η2p=0.47，当任务1 为中文颜色字时，被试对颜色块的反应速度（750ms）显著慢于任务1 为英文颜色字时被试对颜色块的反应速度（707ms）。条件匹配和文字类型的交互作用非常显著，F（2,66）=18.15, p＜0.001, η2p=0.36. 进一步的简单效应分析发现，当任务1为中文字时，条件匹配为一致条件下的反应时显著快于冲突条件下的反应时，即F（1,33）=27.26,p＜0.001；但当任务1 为英文字时，一致和冲突条件下的反应时差异不显著，即F（1,33）=1.69,p＞0.05.其他的交互作用差异均不显著。

表2 不同SOA条件下颜色辨别任务的反应时（ms）及标准差

3.中英文辨别任务与颜色辨别任务的相互关系

为了进一步检验任务1 与任务2 的认知加工是否产生相互影响，对任务1 和任务2 的反应时数据作进一步的处理和分析。数据整理时，把任务1和任务2的反应时数据作为任务变量的两个水平，把SOA作为另一个变量，然后对任务变量和SOA变量进行2×4的重复测量方差分析，图1为各SOA 条件下两个任务的交互效应图。方差分析结果表明，任务与SOA 之间的交互作用非常显著，F（3,99）=146.71，p＜0.001. 通过进一步的简单效应分析发现，除了SOA 为300ms 条件下任务1 和任务2 的反应时差异不显著外（p＞0.05），其余三种SOA 条件下两个任务的反应时差异均达到了非常显著的水平，分 别 为：50ms：F（1,33）=30.01, p＜0.001；

100ms：F（1,33）=16.98,p＜0.001；800ms：F（1,33）=18.94, p＜0.001. 结果表明任务1 和任务2 之间产生了实质性的相互影响。

图1 两个任务的交互效应图

三、讨 论

支持RSB模型的研究证实，双任务干扰的主要原因在于当任务1正在进行反应选择加工时，瓶颈的调节机制产生了。由于瓶颈一次只能进行一个任务的反应选择，在较短的SOA 条件下，两个任务的反应选择加工产生重叠，当任务1正在进行反应选择加工时，任务2反应选择加工只能暂停并在中枢瓶颈外等待，直到任务1完成其反应选择，中枢瓶颈被释放后才能进入瓶颈得到加工，因此任务1和任务2 的反应选择只允许以系列的方式得到加工。这样在实验数据结果中，尤其是在较短的SOA条件下通常只能观察到任务1 对任务2 所产生的显著的PRP效应，而任务1的反应时则不会受到SOA长短以及任务2难度或复杂度变化的影响。而支持CCS模型的研究证实，双任务干扰的主要原因在于两个任务共享有限的中枢资源导致两个任务可用的中枢资源都减少所致。CCS模型假定，即使在SOA很短的条件下，两个任务的反应选择也能平行得到加工，不过这时两个任务的反应选择加工高度重叠，但由于中枢资源的总量有限（比如为1），如果被试在任务1上分配了90%的中枢资源时，那么在任务2上只能得到10%的中枢资源，这样两个任务的反应速度都会因得不到充足的中枢资源而导致两个任务的反应速度均显著下降。一般情况下，由于任务1 具有优先加工权，所以相比较任务1，任务2 得到的中枢资源量很少，因此任务2 的加工速度极其缓慢，任务2的反应时延迟。根据CCS模型的假设，两个任务的加工速度与效率取决于两个任务在反应选择阶段得到的中枢资源量的多少。在较短SOA 条件下，除了在任务2 上能观察到显著的PRP效应外，任务1的反应时也会显著受到SOA的长短和任务2难度或复杂度变化的影响。

本研究结果表明，在任务2 的反应时上，SOA的主效应非常显著，只要将任务1 和任务2 间的SOA 变短，任务2 的颜色辨别时间线性延长，则PRP效应十分显著，实验结果表明任务1的反应选择对任务2的加工产生了非常显著的影响，研究结果也再次证明了PRP 效应具有非常顽固的特征。PRP效应的特性说明了人类在认知、反应选择以及动作执行系统中的限制机制。[12]实验结果还发现，任务1 颜色字与任务2 颜色匹配一致时的反应速度显著快于二者匹配冲突时的反应速度，说明对任务1尽管只作简单的中英文辨别任务的条件下，被试仍然有效地激活了颜色字的字义，因而出现了当字义和颜色冲突时的Stroop干扰效应。本研究还有一个重要发现是条件匹配和文字类型的交互作用显著，对该交互效应的进一步简单效应分析发现，当任务1 为中文字时，任务1 颜色字与任务2 颜色匹配一致时的反应速度显著快于二者匹配冲突时的反应速度，但当任务1 为英文字时，任务1 和任务2条件匹配效应的差异不显著，说明对以汉语为母语的中国被试来说，汉字颜色字的字义具有无意识自动激活的特征，因而出现了字义和颜色冲突时的Stroop 干扰效应。但对非母语的英语颜色字字义的激活水平非常低，因此在该条件下并没有出现Stroop干扰效应。

在任务1的反应时上，尽管条件匹配的主效应不显著，但SOA 和文字类型的主效应显著，说明任务2 的难度和复杂度变化引起了任务1 加工过程同样的变化。文字类型和条件匹配的交互作用显著，进一步的简单效应分析得到了和任务2相同的结果，即当任务1为中文字时条件匹配效应的差异显著，当任务1为英文字时条件匹配效应的差异不显著，说明SOA的长短和任务2的难度和复杂度变化对任务1的加工产生了显著的影响，这一结果显然不符合RSB模型对任务1反应时的预测。

另外实验结果还发现，任务1 和任务2 之间存在显著的交互效应，说明任务1 和任务2 之间存在相互影响、相互制约的关系，这一结果同样不符合RSB模型的假设，但用CCS模型可以做出合理的解释，即任务2 的反应选择在任务1 的反应选择结束之前能进入了中枢瓶颈，并从任务1上成功分享了一部分中枢资源供其进行中枢反应选择加工。从这个意义上来讲，在双任务情境中出现的干扰不是由于瓶颈的制约机制，而是由于两个任务共享有限的中枢资源，正是中枢资源的不足导致了两个任务的工作效率下降。

四、结 论

综合以上数据结果与分析，本研究得到如下结论：（1）在双任务情境中，两个任务的反应选择能平行得到加工，两个任务的加工过程相互影响、相互制约。（2）双任务干扰不是由于瓶颈的制约机制，而是中枢资源的不足导致两个任务的工作效率下降。