摘要人類如何表征周圍環(huán)境的空間結(jié)構(gòu)信息，如何利用記憶中的空間表征來指導個體在環(huán)境中的空間活動，已成為認知心理學、神經(jīng)科學、地理學以及人工智能研究的重要課題。文章綜述了作者負責的實驗室及其合作者近年來在視覺空間信息表征、基于運動的空間表征更新，以及認知系統(tǒng)中的不同空間信息處理模塊等方面的研究工作，對以上問題及其內(nèi)在的認知機制問題進行了初步的探討。
　　關(guān)鍵詞空間記憶，空間參照系，空間表征，空間更新。
　　分類號B842
　　
　　1 引言
　　
　　所有的動物和人都是在空間中生存和進化的，一個生物體能否成功地存活和繁衍，空間信息加工能力至關(guān)重要。自從Tolman[1]提出認知地圖（Cognitive map）概念以來，動物和人的空間記憶便成為心理學研究的一個基本問題。20世紀80年代之后，空間記憶研究更是吸引著認知心理學、神經(jīng)科學、地理學以及人工智能等多種學科的研究興趣。在人類空間信息加工機制研究方面，不同研究者對空間表征的朝向特異性與組織結(jié)構(gòu)[2]，空間記憶的發(fā)生發(fā)展[3]，不同感覺通道下的空間信息獲取與空間記憶[4,5]，以及通過語言描述所形成空間記憶[6,7]等方面進行了系統(tǒng)深入的探討。
　　與此同時，空間記憶的腦神經(jīng)機制研究也一直是認知神經(jīng)科學和神經(jīng)生物學關(guān)注的熱點問題。比如O’keefe和Nadel采用電生理方法最早發(fā)現(xiàn)老鼠海馬中存在著對空間位置信息具有特異性反應的位置神經(jīng)元（place cell）[8]，Taube在老鼠丘腦發(fā)現(xiàn)了對個體朝向有特異性反應的朝向神經(jīng)元（head direction cell）[9]，Epstein和Kanwisher運用fMRI發(fā)現(xiàn)了人對空間場景有特定激活的海馬旁回（parahippocampal place area, PPA）[10]等。近來Ekstrom等人結(jié)合電生理與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在人的大腦中同時記錄到了位置和朝向兩種神經(jīng)元的特異性活動[11]。Halfting等人最近的研究則在老鼠大腦的內(nèi)嗅皮層（entorhinal cortex）發(fā)現(xiàn)了支持空間地圖表征的微觀神經(jīng)生理基礎(chǔ)[12]。這些研究發(fā)現(xiàn)極大的推進了人們對空間認知神經(jīng)機制的理解和把握。
　　雖然人們可以自如的進行各種空間活動，但人們并未意識到協(xié)調(diào)和控制空間活動的認知系統(tǒng)是多么復雜和有效。其實，人的感知系統(tǒng)在空間活動過程中不斷地收集著周圍環(huán)境的空間信息，并從這些信息流中引導我們的動作和空間巡航，從而讓人們發(fā)現(xiàn)道路，避免障礙物，再認先前經(jīng)歷過的地點，完成重新定向等等。人究竟如何表征周圍環(huán)境的結(jié)構(gòu)信息，如何結(jié)合身體運動信息來更新記憶中已經(jīng)形成的空間表征，如何在空間巡航過程中保持與周圍物體的空間關(guān)系，空間表征的形成是由環(huán)境中何種因素決定的，在運動過程中使用單一機制還是多種空間信息處理來跟蹤周圍物體的位置信息。人的大腦如何實現(xiàn)這些看似簡單的行為，迄今仍然沒有得到徹底的回答。
　　以下我們將結(jié)合本實驗室和合作者的具體研究工作，從視覺空間信息的內(nèi)在參照系表征、基于運動的空間表征更新，以及人類認知系統(tǒng)中的不同空間信息處理模塊三個方面，介紹認知實驗心理學對以上問題進行的行為學考察，在此基礎(chǔ)上，對人類空間表征和空間更新的認知機制進行初步的探討。
　　
　　2 人類空間記憶的內(nèi)在參照系表征理論
　　
　　人類空間記憶是以環(huán)境參照系（allocentric frames of reference）還是以自我參照系 （egocentric frames of reference）來表征，是當前空間認知領(lǐng)域爭論的熱點問題[13, 14]。前者認為物體位置是相對于環(huán)境中其他物體（如標志性建筑、主要道路等）來表征的，人的運動并不會更新空間表征本身；后者則認為物體位置是相對于觀察者自己（如眼睛、頭和軀體等）來表征的，空間表征會隨著觀察者的運動而不斷更新。Mou和McNamara首次提出人類空間記憶是以環(huán)境內(nèi)在參照系（intrinsic frames of reference）來表征的觀點[13]，并通過多項實驗研究，系統(tǒng)論證了熟悉場景的空間關(guān)系記憶，自我朝向感喪失條件下所維持的空間關(guān)系表征，都是基于場景內(nèi)在參照系來表征的。并同時從整體和個體水平提供實驗證據(jù)表明，決定我們?nèi)绾伪碚鳝h(huán)境空間信息的，是場景本身具有的內(nèi)在結(jié)構(gòu)而不是以自我為中心的觀察視線（egocentric viewpoint）。
　　
　　2.1 熟悉場景的空間記憶基于內(nèi)在參照系表征的證據(jù)
　　Mou和McNamara首次用實驗分離了觀察者視線和場景內(nèi)在軸（intrinsic axis）對空間表征的作用，提供了熟悉場景的空間記憶中，物體位置是以場景內(nèi)在參照系來表征的實驗證據(jù)[13]。
　　圖1學習時的物體場景，引自文獻[13]
　　 實驗要求被試學習圖1所示的場景。被試從315º看場景并被要求沿著315º的方向或沿著0º的方向?qū)W習場景。然后根據(jù)記憶作相對方向判斷（如，“想象你站在物體甲，面對物體乙，請指向物體丙”）。被試共有8個想象朝向（imagined heading），從0º到315º，間隔為45º。一個重要的結(jié)果是，想象朝向與學習條件存在著交互作用：要求按315º方向?qū)W習的被試更容易從想象朝向315º做出相對方向判斷，而要求按照0º方向?qū)W習的被試更容易從想象朝向0º做出相對方向判斷（圖2），即使315º方向是他們的觀察方向。這個結(jié)果直接表明：空間關(guān)系表征并不是觀察視線所決定的，而是由被試所選擇的內(nèi)在參照系決定的。
　　圖2被試的平均錯誤角度，引自文獻[13]
　　
　　2.2自我朝向感喪失后的空間記憶基于內(nèi)在參照系表征的證據(jù)
　　個體如何使用已經(jīng)形成的空間表征來完成空間定位任務，不同的研究者持有不同的觀點。持自我參照系表征觀點的研究者認為[14, 15]，當個體與環(huán)境中物體的位置關(guān)系因為喪失自我朝向感（比如迷向）而被破壞后，環(huán)境中不同物體之間的空間關(guān)系，就不能再通過被破壞的自我中心表征得以維持，從而造成物體空間關(guān)系知識的破壞或者消失。與之相對，堅持環(huán)境參照系表征觀點的研究者則認為[13,16]，個體自我朝向感的喪失并不必然破壞空間表征中物體與物體空間關(guān)系的知識。因此，在喪失自我朝向感的條件下，觀察者能否維持記憶中物體之間的空間關(guān)系知識，是區(qū)分自我參照系表征和環(huán)境參照系表征的關(guān)鍵因素。
　　Mou和McNamara等人[17]采用了Wang和Spelke[15]所使用的實驗范式，用4個實驗考察了不同條件下空間關(guān)系表征在自我朝向感喪失前后的變化。被試先學習一組物體的空間位置，然后分別在基線條件（閉上眼睛但維持學習朝向）、更新條件（閉上眼睛然后轉(zhuǎn)動較小角度）和迷向條件（閉上眼睛轉(zhuǎn)動自己直至失去朝向感）三種情況下指示周圍物體的空間位置。同時，實驗也操縱了場景本身是否具有明顯的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，場景中物體數(shù)目的多少等因素。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，被試在迷向條件下所維持的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系知識并沒有被破壞，而是與基線和更新條件相當。這個結(jié)果與自我中心表征理論沖突，而與內(nèi)在參照系理論相符合，表明在喪失自我朝向感的條件下，個體所維持的空間記憶是基于環(huán)境內(nèi)在參照系來表征的。
　　
　　2.3多視點學習條件下的空間記憶基于內(nèi)在參照系表征的證據(jù)
　　Mou和Zhao等人關(guān)于“場景內(nèi)在結(jié)構(gòu)在空間表征中的作用”的系列研究[18]，則通過直接檢驗內(nèi)在參照系理論的兩個理論預測來驗證該理論的有效性。根據(jù)內(nèi)在參照系表征理論，觀察者在表征空間信息時所建立的空間參照系是內(nèi)在于環(huán)境之中的，如果該理論是有效的，那么它將直接推論出兩個結(jié)果：（1）場景內(nèi)在結(jié)構(gòu)而非觀察者觀察視線決定空間信息如何表征，（2）場景是否具有明顯的內(nèi)在結(jié)構(gòu)決定了空間參照系選擇的一致性程度。相反，如果該理論是無效的，那么在多視點學習條件下，我們將觀測到初始視點效應[19]或者空間表征依賴于多個觀察視點的結(jié)果。
　　實驗采用了基于個體（individual-based）和基于整組（group-based）的實驗范式，通過4個實驗考察上述兩個理論預測。實驗中，被試在沒有任何外界線索的環(huán)境中，從多個觀察視點學習物體場景，其中一個觀察視點與場景的明顯內(nèi)在結(jié)構(gòu)（左右對稱）相一致，然后被試根據(jù)記憶完成相對位置判斷任務。
　　實驗結(jié)果表明，不論在整體水平還是在個體水平，被試都選擇了與內(nèi)在場景結(jié)構(gòu)一致的空間參照系來表征物體的空間位置信息。而且當場景具有明顯內(nèi)在結(jié)構(gòu)時，被試在空間參照系的選擇上非常一致。而當場景內(nèi)在結(jié)構(gòu)因為添加兩個無關(guān)物體而被破壞時，被試不論在整體水平還是在個體水平，都不再穩(wěn)定地選擇與其一致的朝向作為內(nèi)在參照系的優(yōu)勢方向。該發(fā)現(xiàn)首次同時從整體與個體水平揭示了場景內(nèi)在結(jié)構(gòu)如何影響人對環(huán)境中空間信息的表征，驗證了內(nèi)在參照系理論的兩個直接推論，為該理論的有效性提供了強有力的支持性證據(jù)。
　　
　　3 空間巡航過程中基于運動的空間表征更新
　　
　　Rieser的研究發(fā)現(xiàn)，與想象條件相比，個體運動可以克服從新穎朝向上提取空間信息時引起的誤差[4]。Simons和Wang也認為，運動輔助作用可以消除場景識別中的視點依賴性（viewpoint dependency）[20]。但Mou和合作者關(guān)于空間推理和物體識別的兩項研究，則發(fā)現(xiàn)基于運動的空間表征更新（spatial updating）并不能消除空間表征和物體識別中的視點依賴性[16, 21]。Mou等人據(jù)此提出了人類空間巡航過程中空間更新的雙系統(tǒng)模型[16]。該模型認為，觀察者的運動過程所更新的僅僅是自己相對于環(huán)境參照系的位置和朝向，而不是更新空間表征或者物體表征本身。
　　
　　3.1 空間更新并不能改變空間表征的朝向依賴性
　　我們在運動過程中究竟更新了什么？是直接改變了記憶中已經(jīng)形成的空間表征本身，還是僅僅利用身體運動的動覺信息調(diào)整了我們自己在空間表征中相對于環(huán)境參照系的位置和朝向？針對這個問題，Mou和McNamara等人通過對學習朝向、想象朝向和測試朝向等因素的聯(lián)合操縱（如圖3所示），首次提供了觀察者身體轉(zhuǎn)動條件下，自我朝向相應更新但表征環(huán)境結(jié)構(gòu)的內(nèi)在參照系保持不變的實驗證據(jù)[16]。
　　圖3Mou等人的實驗設(shè)計，引自文獻[16]
　　在其中一個實驗中，被試首先記憶場景中物體的位置，然后分別從三個想象朝向完成相對位置判斷任務。三個想象朝向分別是0º（和學習朝向一致），90º（學習朝向向左轉(zhuǎn)90º）和225º（學習朝向向左轉(zhuǎn)225º）。同時，被試的真實朝向和想象朝向也有兩種關(guān)系：一種條件下被試的真實朝向和想象朝向總是一致；另一種條件則總不一致（相差225度）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不論真實朝向和想象朝向是否一致，被試在想象朝向0º的判斷成績總好于想象朝向225º的成績（即表現(xiàn)出朝向依賴性），說明被試表征物體位置的內(nèi)在參照系并沒有隨身體轉(zhuǎn)動而改變。同時，被試在真實朝向和想象朝向一致時的位置判斷要好于當兩者不一致時的位置判斷（圖4，A-I=0º表示真實和想象朝向一致，A-I=225º表示兩者相差225º），這表明被試在轉(zhuǎn)動過程中更新了自己相對于內(nèi)在參照系的朝向，否則真實朝向和想象朝向一致與否就不會影響被試位置判斷的成績。
　　圖4被試的平均錯誤角度，引自文獻[16]
　　Mou和McNamara等人認為，存在著以自我為中心的更新（egocentric updating）和以環(huán)境為中心的更新（allocentric updating）兩個過程[16]。以自我為中心的系統(tǒng)控制個體運動時瞬間的自我-物體空間關(guān)系，保證個體有效避開障礙物，但不能保證不迷失方向。為保持方向，個體必須知道環(huán)境中物體之間的穩(wěn)定空間關(guān)系，及自己相對于熟悉物體的位置和朝向，這由以環(huán)境為中心的系統(tǒng)負責。個體利用自己相對于內(nèi)在參照系的位置和朝向以及內(nèi)在參照系所表征的物體關(guān)系，就能計算出運動過程中任何物體相對于自己的空間關(guān)系。觀察者的運動過程所更新的僅僅是自己相對于環(huán)境參照系的位置和朝向，而不是更新空間表征或者物體表征本身。
　　
　　3.2 空間更新并不能消除物體識別中的視點依賴性
　　Mou和合作者關(guān)于“三維虛擬環(huán)境下的視覺物體識別”的研究[21]，進一步驗證了空間更新的雙系統(tǒng)模型在視覺物體識別中的理論預測，發(fā)現(xiàn)運動參與下的物體識別與空間推理任務一樣，也同時表現(xiàn)出空間更新與視點依賴性兩個獨立效應。并提供證據(jù)表明，基于運動的空間更新并不能消除視覺物體識別過程中的視點依賴性，而且空間更新只在較小的運動角度范圍內(nèi)才體現(xiàn)出運動輔助作用。
　　實驗采用了虛擬環(huán)境中的物體再認范式，被試通過頭盔顯示器記憶虛擬三維物體，然后走到新的位置或者走到中間再返回原處。同時，虛擬物體也同時轉(zhuǎn)動相應角度或者保持不動（見圖5）。被試的任務是判斷再次看到的物體是否與先前記憶的物體相同，而不管該物體是否旋轉(zhuǎn)。結(jié)果表明，不論被試在原地還是走到新的位置做判斷，從學習視點識別物體都要比從新穎視點識別物體準確（視點依賴性效應）。同時，當從新穎視點識別物體時，物體保持不動的條件（人運動，物體不動）要比物體轉(zhuǎn)動的條件下（人不動，物體轉(zhuǎn)動）識別成績更好（空間更新效應）。兩個效應同時存在表明，基于運動的空間更新并不能消除物體識別中的視點依賴性，進而從物體識別角度為空間更新的雙系統(tǒng)模型提供了支持性證據(jù)。而且，當個體的運動角度增至90度時，視點依賴性依然存在，而運動期望效應卻消失了。這些結(jié)果表明，人的運動引起的空間更新并不如Simons和Wang[20]所假設(shè)的那么強，一方面，空間更新并不能改變空間表征或者物體表征本身，另一方面，至少在視覺物體信息處理中，運動產(chǎn)生的輔助作用可能只在小角度的運動范圍內(nèi)才有效。人在運動過程所更新的，只是自己相對于環(huán)境參照系的位置和朝向。
　　圖5 物體識別中的刺激呈現(xiàn)序列，引自文獻[21]
　　
　　4 綁定于環(huán)境和綁定于身體的空間信息處理模塊
　　
　　在日常生活中，我們具有很強的在運動過程中跟蹤周圍物體位置信息的能力。Farrell 和Roberson認為這是一種自動化的空間更新過程[22]。比如當向后轉(zhuǎn)身時，我們非常清楚的知道原來在前面的東西現(xiàn)在已經(jīng)位于我們后面。那么我們究竟是如何在空間巡航過程中保持與周圍物體的空間關(guān)系，我們在運動過程中是僅僅使用單一認知機制，還是依靠多種信息處理模塊來實現(xiàn)這種跟蹤呢？Mou和同事進行的一系列研究表明，人的認知加工系統(tǒng)存在著兩種完全不同的空間信息處理模塊，即綁定于環(huán)境的（environment-stabilized）空間信息模塊和綁定于身體的（body-stabilized）空間信息處理模塊，兩者分別負責我們對不同類別空間信息的追蹤[23]。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，兩者同樣具有自動加工的屬性，某種模塊一旦被激活，便很難被主觀的認知努力所忽略和擬制。這種自動加工屬性，也許是人們根本感受不到自身空間跟蹤能力如此復雜和有效的原因。
　　
　　4.1 虛擬環(huán)境中存在兩種空間信息處理模塊的實驗證據(jù)
　　Mou和Biocca等人將增強現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality）應用到空間認知研究中，首次提供證據(jù)表明人的空間認知系統(tǒng)中存在著綁定于身體的信息處理模塊[23]。該模塊的工作機制假定在人的運動過程中，物體與觀察者的空間位置關(guān)系將保持不變。實驗還發(fā)現(xiàn)，從綁定于環(huán)境的空間信息轉(zhuǎn)換到綁定于身體的空間信息十分靈活，甚至只需要指導語便可以實現(xiàn)。這為將來移動式空間化人機系統(tǒng)的界面設(shè)計提供了認知理論依據(jù)。
　　圖6 增強現(xiàn)實環(huán)境中的學習場景，引自文獻[23]
　　在其中一個實驗中，被試首先學習呈現(xiàn)在真實地板上8個虛擬物體的位置（如圖6）。在做相對位置判斷之前（如“想象你面對手機，請指向小球”），被試戴上眼罩并轉(zhuǎn)動身體到規(guī)定方向（手機或本子）。實驗同時操縱了學習朝向與想象朝向（L-I）以及身體真實朝向與想象朝向（A-I）的角度差別（0º和90º）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對增強現(xiàn)實系統(tǒng)沒有任何經(jīng)驗的被試，A-I對相對位置判斷有顯著影響（圖7a），但當讓被試短暫體驗到虛擬物體相對自己不變，或被直接告知虛擬物體將會相對自己不變時，A-I對相對位置判斷便不再產(chǎn)生影響（圖7b）。這表明，沒有經(jīng)驗的被試激活了綁定于環(huán)境的模塊，認為虛擬物體是相對于真實地板位置不變的；但該模塊會在短時經(jīng)驗或指導語影響下，迅速靈活的被綁定于身體的模塊所取代，即認為虛擬物體跟隨自己轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，是相對于自己位置不變的。
　　圖7 給予指導語之前（a）和之后(b)被試的平均反應時，根據(jù)文獻[23]繪制
　　
　　4.2 真實環(huán)境中的空間信息處理模塊及其自動加工屬性
　　Mou和同事*關(guān)于“真實物理環(huán)境中的空間信息處理模塊及其自動加工屬性”的研究，將兩種空間信息處理模塊的適用范圍，從增強現(xiàn)實環(huán)境進一步推廣到真實的物理環(huán)境。并首次提供實驗證據(jù)證明，綁定于身體的空間信息處理模塊同樣具有自動加工的屬性，一旦激活便并不能被高級認知活動所抑制。
　　實驗采用了Mou和Biocca等人使用的范式，通過一系列實驗考察了激活特定空間信息處理模塊的影響因素及其自動化加工屬性[23]。被試首先學習其周圍9個物體的位置，然后閉上眼睛自主轉(zhuǎn)動一定角度，接著完成相對位置判斷任務（如圖8所示）。結(jié)果表明，當物體放置在地面上，或者放置在圓桌面上時（但被試并不知道桌面可以轉(zhuǎn)動），被試并不能按照指導語的要求想象所有物體跟著自己一起轉(zhuǎn)動，即采用了默認的綁定于環(huán)境的空間信息處理模塊。表現(xiàn)在結(jié)果上，被試的反應明顯的收到想象朝向和身體實際朝向角度差別的影響（A-I效應）。但當被試觀察到圓桌面可以轉(zhuǎn)動的時候，被試就很容易的采用了綁定于身體的空間信息處理模塊，即被試反應不再受A-I因素的影響。
　　圖8 真實環(huán)境中的學習場景（桌面外周可以轉(zhuǎn)動）
　　相應的控制實驗則進一步表明，提供直接的視覺信息（即被試可以看到桌面是可轉(zhuǎn)動的）是激活綁定于身體的空間信息處理模塊的必要條件。因為，當不提供視覺信息，而僅僅是告訴被試，在其身體轉(zhuǎn)動的同時主試也會同時相應的轉(zhuǎn)動桌面，并不能促使被試采用綁定于身體的空間信息處理模塊，而單純的視覺信息卻可以激活該模塊（即使桌面實際并沒有轉(zhuǎn)動）。最后，當被試激活了綁定于身體的空間信息處理模塊后（即被試看到桌面可轉(zhuǎn)動），被試就不能按照指導語的要求去想象所有的物體都停留在原來的位置。這說明，綁定于身體的模塊一旦激活，與綁定于環(huán)境中的空間信息處理模塊一樣，并不能被高級認知努力所抑制，即具有一定的自動加工屬性。
　　兩種空間信息處理模塊及其自動加工屬性的發(fā)現(xiàn)，對于移動式空間化人機計算系統(tǒng)的設(shè)計具有著重要的理論指導意義和應用價值。即只要有視覺支持的情況下，短時間視覺經(jīng)驗與指導語就能促使移動計算系統(tǒng)的使用者激活綁定于身體的空間信息處理模塊。一旦該模塊被激活，個體在運動過程中定位各種相對于身體的空間化信息將更為容易和準確，從而使計算系統(tǒng)的移動化和空間化成為可能。
　　
　　5 小結(jié)與展望
　　
　　以上我們分別從空間記憶的內(nèi)在參照系表征理論，運動參與下的空間表征更新，以及人在運動過程中追蹤物體位置信息的空間信息處理模塊三個方面，系統(tǒng)的回顧了當前空間認知研究中的熱點問題及所涉及的一些實驗研究。這些結(jié)論和研究發(fā)現(xiàn)，為我們從認知機制上理解和回答引言中所述的問題提供了一個理論解釋上的參考框架。
　　空間記憶的內(nèi)在參照系理論認為，正如人們對形狀和物體如何解釋取決于把物體哪個部分定義為它的“上方”一樣[24, 25]，當人們要記憶環(huán)境中的空間位置信息時，也需要選擇一個參照方向來把環(huán)境解釋為一個空間信息參照系統(tǒng)。而這個參照系或者參照方向的選擇則是由環(huán)境的內(nèi)在結(jié)構(gòu)決定的，也就是說，場景的內(nèi)在參照結(jié)構(gòu)決定了我們會形成什么樣的空間表征，以及會在多大程度上形成這種表征。由內(nèi)在參照系界定的空間表征一旦形成之后，除非遇到更強的內(nèi)在參照系線索，便不會隨著人的運動過程而相應改變。人的運動與空間巡航過程，僅僅更新了自己相對于內(nèi)在參照系的位置和朝向。這種基于運動的空間更新，可以在一定程度和范圍內(nèi)易化對空間記憶中的信息提取，但由于空間表征的朝向依賴性，空間更新并不能消除從新穎朝向提取空間信息時的誤差。
　　另一方面，作為長期的適應性進化的結(jié)果，人類認知系統(tǒng)分化出了兩種（或者更多）空間信息處理模塊，來分別負責不同類別空間信息的跟蹤任務。綁定于環(huán)境的空間信息模塊，認為物體是相對于環(huán)境保持不變的，因而個體的運動信息會激活該模塊不斷更新自己與空間參照系的關(guān)系，進而實時計算出物體相對于自己的關(guān)系，從而保持與周圍物體的空間關(guān)系信息。綁定于身體的空間信息處理模塊，認為物體是相對于自己保持不變的，因而個體的運動信息就不再更新自己與空間參照系的關(guān)系，從而維持物體隨觀察者運動而運動的穩(wěn)定空間關(guān)系。兩種空間信息處理模塊最直接的例子莫過于汽車駕駛，對于駕駛者來說，車內(nèi)的東西，如方向盤，剎車等，需要綁定于身體的空間信息處理模塊負責；而車外的東西，如路標、建筑等，則需要綁定于環(huán)境的空間信息處理模塊負責。
　　最后，盡管來自不同學科的研究者，對人與動物的空間行為進行了長達數(shù)十年的不懈探索，但目前對大腦這種基本認知功能的認識，未知的和待解決的問題絲毫不少于已經(jīng)獲得的研究結(jié)論。比如，如何整合不同來源的空間信息以形成穩(wěn)定有效的空間表征，基于運動的空間更新的認知本質(zhì)是什么，以環(huán)境參照系表征的空間知識如何轉(zhuǎn)化到自我參照系以引導各種肢體行為，內(nèi)在參照系表征的神經(jīng)生理基礎(chǔ)是什么，是否存在與不同空間信息處理模塊相對應的大腦神經(jīng)機制，如何實現(xiàn)人類空間智能的機器模擬，等等。歐洲與北美的科研機構(gòu)，已經(jīng)開始集成研究力量并提供大力資助，力爭在人類空間認知研究上取得突破性進展。如德國科學基金會（DFG）自1996年開始投入大量基金持續(xù)資助 “空間認知研究”優(yōu)先項目（DFG Spatial Cognition Priority Program），整個項目涉及計算機科學與人工智能，心理學，語言學，地理學等德國大學與科研機構(gòu)的科學家，涵蓋了空間表征與心理模型，空間參照系與動作執(zhí)行，機器人巡航與空間行為分析，空間化界面設(shè)計等17個重點研究課題。自2003年起，其后續(xù)項目投入更是高達3.53億歐元。相信人類對自己如何得知現(xiàn)在何處，如何到達下個地點的理解將不斷加深。
　　
　　參考文獻
　　[1] Tolman E C. Cognitive maps in rats and men. Psychological Review, 1948, 55, 189~208
　　[2] McNamara T P. Mental representations of spatial relations. Cognitive Psychology, 1986, 18, 87~121
　　[3] Huttenlocher J, Newcombe N, Sandberg E. The coding of spatial location in young children. Cognitive Psychology, 1994, 27, 115~147
　　[4] Rieser J J. Access to knowledge of spatial structure at novel points of observation. Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition, 1989, 15: 1157~1165
　　[5] Loomis J M, Klatzky R L, Golledge R G. Auditory distance perception in real, virtual, and mixed environments. In: Y Ohta, H Tamura (Eds.), Mixed reality: Merging real and virtual worlds. Tokyo: Ohmsha, 1999. 201~214
　　[6] Mou W, Zhang K, McNamara T P. Frames of reference in spatial memories acquired from language. Journal of Experimental Psychology: Learning Memory and Cognition, 2004, 30, 171~180
　　[7] Franklin N, Tversky B. Searching imagined environments. Journal of Experimental Psychology: General, 1990, 119: 63~76
　　[8] O"Keefe J, Nadel L. The hippocampus as a cognitive map. Oxford: Oxford University Press. 1978
　　[9] Taube J S. Head direction cells and the neurophysiological basis for a sense of direction. Progress in Neurobiology, 1998, 55: 225~256
　　[10] Epstein R, Kanwisher N. A cortical representation of the local visual environment. Nature, 1998, 392: 598~601
　　[11] Ekstrom A D, Kahana M J, Caplan J B, FieldsT A, Isham E A, Newman E L, Fried I. Cellular networks underlying human spatial navigation. Nature, 2003, 425: 184~187
　　[12] Hafting T, Fyhn M, Molden S, Moser M-B, Moser E I. Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex. Nature, 2005, 436: 801~806
　　[13] Mou W, McNamara T P. Intrinsic frames of reference in spatial memory. Journal of Experimental Psychology: Learning Memory and Cognition, 2002, 28: 162~170
　　[14] Wang R F, Spelke E S. Human spatial representation: insights from animals. Trends in Cognitive Sciences, 2002, 6: 376~382
　　[15] Wang R F, Spelke E S. Updating egocentric representations in human navigation. Cognition, 2000, 77: 215~250
　　[16] Mou W, McNamara T P, Valiquette C M, Rump B. Allocentric and egocentric updating of spatial memory. Journal of Experimental Psychology: Learning Memory and Cognition, 2004, 30: 142~157
　　[17] Mou W, McNamara T P, Rump B, Xiao C. Roles of egocentric and allocentric spatial representations in navigation and reorientation. Journal of Experimental Psychology: Learning Memory and Cognition, in press
　　[18] Mou W, Zhao M, McNamara T P. Layout geometry and viewing perspectives in the selection of intrinsic frames of reference. Journal of Experimental Psychology: Learning Memory and Cognition, accepted pending revision
　　[19] Shelton A L, McNamara T P. Systems of spatial reference in human memory. Cognitive Psychology, 2001, 43: 274~310
　　[20] Simons D J, Wang R F. Perceiving real-world viewpoint changes. Psychological Science, 1998, 9: 315~320
　　[21] Zhao M, Zhou G, Mou W, Hayward W G, Owen C B. Spatial updating during locomotion does not change viewpoint dependent visual object processing. Visual Cognition, in press
　　[22] Farrell M J, Robertson I H. Mental rotation and the automatic updating of body-centered spatial relationships. Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition, 1998, 24:227~233
　　[23] Mou W, Biocca F, Owen C B, Tang A, Xiao F, Lim L. Frames of reference in mobile Augmented Reality displays. Journal of Experimental Psychology: Applied, 2004, 10: 238~244
　　[24] Rock I. Orientation and form. New York: Academic Press. 1973
　　[25] Palmer S E. Vision science: Photons to phenomenology. Cambridge, MA: MIT Press, 1999
　　
　　Human Spatial Memory and Spatial Navigation
　　Mou Weimin1Zhao Mintao1, 2Li Xiaoou1, 2
　　(1 State Key Laboratory of Brain and Cognitive Science, Institute of Psychology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)
　　(2 Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100039, China)
　　
　　Abstract: How is the configuration of the surrounding environment represented in human memory, and how does this spatial representation guide human navigation? These questions are being tackled by an endeavor of multiple disciplines including Psychology, Neuroscience, Geography, and Artificial Intelligence. This paper reviewed the research of our lab and collaborators addressing the above questions in three series of studies including intrinsic model of spatial memory, the allocentric and egocentric spatial updating, and body and environmental stabilized processing of spatial knowledge during locomotion.
　　Key words spatial memory, spatial frames of reference, spatial updating, body stabilized spatial process, environment stabilized spatial process.
　　注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文

相關(guān)熱詞搜索：空間 巡航 人類 人類空間記憶和空間巡航 空間記憶封存 空間記憶系統(tǒng)