心理旋转中的性别差异
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作者: 于庆宝 鹿麒麟 唐一源
摘要：性别差异是认知心理学中一个重要的研究领域。男性在执行空间认知任务时的表现往往好于女性，在心理旋转任务中，这种现象更为普遍。近年来，人们在行为和脑成像等层面对心理旋转中的性别差异进行了大量的研究，该文通过对其中一部分研究的回顾描述了心理旋转的性别差异在行为及脑成像实验中的表现，总结了可能导致这种性别差异的生理及策略等因素。
关键词：空间认知，心理旋转，性别差异 分类号：B842
1 引言
在1971年，Shepard和Metzler明确提出心理旋转(mental rotation)的概念并进行了三维旋转的实验。结果发现，被试的反应时间与所需旋转的角度之间成线性关系，即旋转的角度越大反应时越长。在之后的研究中人们不断的改进和重复该实验，很多结果表明男性在心理旋转任务中的表现明显好于女性。近年来，探讨心理旋转任务中的性别差异成为一个研究热点。本文通过对其中一些具有代表性的行为研究、功能磁共振成像(functional MagneticResonance Imaging，fMRI)研究和脑电(Electroence-phalography,EEG)研究的总结，描述了性别差异在这些实验中的表现，概括了可能导致这种性别差异的原因。
2 心理旋转行为实验中的性别差异
2.1 任务时限与性别差异
Vandenberg和Kuse在1978年设计了一个经典的关于心理旋转的测试(mental rotation test，MRT)，在该测试中，每个测试项(trial)包含5个类似于Shepard和Metzler设计的由小立方体构成的三维图形，第一个图形为标准图，后边四个图形中有两个为标准图旋转一定角度之后的结果(旋转一定角度之后能够与标准图完全重合)，要求被试选出这两个图形，并在一定的时间内完成一定数目的测试项，被试每选对一个图就会多得一分。在这种测试中，男性的得分往往高于女性。
然而Goldstein等人在1990年研究发现，当不对该测试设置时间限制时，性别差异就会消失。他们进行了两个实验，在实验一中要求被试执行有时限的MRT任务，但是采用两种计分方法，一种是总得分，一种是得分率(判断正确的项数与完成项数的比值)。结果发现男性的总得分明显高于女性，而男性的得分率与女性没有差异。在实验二中，被试分别执行有时限的MRT和无时限的MRT。结果发现在有时限的任务中男性得分明显高于女性，在无时限的任务中无性别差异。因此Goldstein等人认为，心理旋转任务中的性别差异与实验实施的因素有关。
但是之后类似的研究并不支持Goldstein等人的观点。如Peters在2005年的研究结果发现，当把MRT任务的时限延长到两倍时仍然有相同程度的性别差异。Resnick在1993年的研究表明，MRT中的时限并不能充分解释性别差异。Voyer等人在2004年分别用5种和3种时限来研究性别差异，发现性别差异并不会随时限的延长而消失。Delgado和Prieto在1996年的研究也没有发现时限对性别差异的影响。Masters在1998年的研究结果表明，不同的计分方式和有无时限的测试都有相似的性别差异。这些结果表明，时间限制并不是造成性别差异的主要原因。
2.2 任务维数和刺激材料对性别差异的影响
Collins和Kimura在1997年对三种任务进行研究，一种是三维的MRT任务，另外两种分别是难度较小和难度较大的二维旋转任务。结果表明，对于难度较大的二维旋转任务，性别差异程度与三维MRT任务一样，而难度较小的二维旋转任务中的性别差异没有那么明显。
Peters等人在1995年对MRT任务和一种改进的难度更大的MRT任务(需要围绕两个轴旋转)相比较，结果发现两种任务中性别差异程度相似。
以上研究的结果表明，二维旋转和三维旋转任务都有性别差异，二维旋转中的性别差异与任务难度有关，三维旋转中的性别差异可能与难度无关。
2.3 性别差异的精密计时研究
另外一种研究心理旋转中性别差异的方法为精密计时法。具体方法为：同时给被试呈现两个图形，其中一个相对于另一个旋转一定的角度，让被试判断二者为同一图形还是关于镜面对称。Cooper和Shepard认为被试的反应时间是以下过程的总和：刺激编码，心理旋转，旋转后比较刺激，做出选择并执行。当把旋转角度作为x轴，反应时作为y轴时，研究人员认为反应时与旋转角度回归线斜率的倒数是旋转速度，在y轴的截距就是感知比较过程所需的时间。
精密计时的研究得出的结果并不清晰，因为不同的实验性别之间在信息处理上有差异。有时候在斜率上有差异，表明男性旋转速度快。有时在y轴的截距和斜率都有差异，有时只截距有差异，表明男性在感知上强于女性。
最近研究表明，截距不仅包含感知比较的时间，还包含对旋转的准备时间。如Ilan和Miller曾探讨旋转过程是否是简单的插入了其他过程中。他们设计了两个序列的实验，第一个序列中都是方位差为0度(旋转0度)的两个图形组成的刺激，第二个序列中既有方位差为0度的两个图形组成的刺激，又有方位差大于0度的两个图形组成的刺激。研究者的思路是：如果两个图形相差一定角度，则会发生下列过程：1)辨识刺激的感知过程；2)心理旋转；3)判断两个图形相同还是互为镜像；4)做出反应。当两个图形的方位相差0度时只有1、3、4三个过程发生，当两个图形之间的方位差大于0度时，如果过程2是简单的插入过程1和过程3中，那么被试对每个序列中方位差为0度的两个图形组成的刺激的反应时间应该是相等的。但是，结果发现被试对第二个序列中方位差为0度的两个图形组成的刺激的反应时明显长于第一个序列中刺激的反应时，因此研究者认为，反应时的截距可能是感知比较和对旋转的准备时间之和。反应时截距的性别差异可能是感知对比或其与旋转的准备时间混合结果的差异。
Jansen-Osmann和Heil用字母、数字、PMA(primary mental abilities)图形、动物图形、多角形和三维图形作为刺激材料来研究旋转速度和旋转的准备时间的性别差异。结果发现，只有对多角形的旋转速度和旋转的准备时间才有非常明显的性别差异。
以上研究结果表明，在心理旋转任务中，旋转速度和信息处理(感知比较和旋转的准备时间)都有性别差异，而且这种差异与刺激材料有关，原因还不是很清楚。
3 心理旋转中性别差异的IMRI研究
近年来，fMRI被成功的用在认知神经科学中，这使得人们能够很方便的研究心理旋转神经机制的性别差异。但是很多研究者认为利用fMRI进行研究时需要消除行为上的性别差异，这样才能避免把
脑激活模式的性别差异归因于行为表现的不同。
Jordan等人用fMPI对心理旋转(用到三维图形、字母、二维抽象图形三种刺激材料)过程中的脑激活进行研究，发现女性在双侧顶内沟、顶上叶、项下叶、颞下回和运动前区有显著激活。男性在右脑顶枕沟、左脑顶内沟、左脑顶上叶有显著激活。男性和女性在运动前区都有激活，另外男性在左脑的运动区也有激活，而颞下回没有激活。他们认为男性和女性在心理旋转任务中的脑激活模式不同可能表明男性和女性在任务过程中采用了不同的策略。
Hugdahl等人对经典的三维旋转任务研究发现，顶叶(BA7)和双侧额下回(BA44／45)有大量激活，男性在项叶有更强激活，女性在额下回有更强激活。研究者分析认为，这些结果可能表明男性侧重于空间的坐标(coordinate)处理过程，女性侧重于序列(serial)的类属(categorical)处理过程。
Butler等人也用tMRI对经典的三维旋转任务进行研究。发现女性在前额叶的背内侧和其他较高级的皮层比男性有更强激活，表明女性以更费力的自上而下的方式执行心理旋转任务；而男性在初级感觉皮层和学习、心理表象相关的脑区(基底核、楔前叶)有更强激活，这贴近更自动的自下而上的策略。功能联通分析结果与行为数据结果结合表明，正确的行为与顶侧．脑岛前庭皮层的负激活关联。研究者认为这些结果也许表明男性在心理旋转任务中使用了一种有效的、下意识的自下而上的神经策略，而这可能是男性具有更强的视空间能力的一个原因。
虽然利用fiVIRI技术人们可以很直观的研究在心理旋转任务中脑激活的性别差异，但是迄今人们还没有得出一致的结论，因此还需要进一步的研究。
4 心理旋转中性别差异的EEG／ERP研究
EEG是另外一种在认知神经科学中应用比较广泛也很成熟的技术，Robets和Bell用EEG功率谱分析对心理旋转中神经电生理的性别差异进行了一系列研究，他们发现在二维旋转任务中男性更侧重于左脑项叶，女性更侧重于右脑顶叶。而在更复杂的三维旋转任务中，男女都侧重于右脑顶叶。对于行为结果，三维旋转中男性好于女性，二维旋转中男性和女性没有差异。这表明，男性和女性在二维和三维旋转任务中采用了不同的神经机制。当分别对小孩和大学生进行研究时，发现男性大学生在顶叶和颞叶后部比女性大学生有更强激活，而小男孩和小女孩在项叶和颞叶后部的激活没有差异。进一步对不同刺激材料旋转的研究表明，在二维的字母数字旋转任务中，男性大学生在左脑颞叶后部有激活，在二维小人图形的旋转任务中，男性大学生和男孩在左脑顶叶都较女性大学生和女孩有更强的激活。在三维篮球运动员图形的旋转任务中，所有被试在右脑顶叶的激活都强于左脑顶叶。研究者认为这些结果有助于了解儿童到成人脑激活和认知发展的变化。
事件相关电位(event-relatedpotential，ERP)是一种通过叠加提取出由刺激诱发的脑电位的技术，它的主要优点是具有很高的时间分辨率，能够与具有较高空间分辨率的fMRI技术互补。然而心理旋转中性别差异的ERP研究很少，据我们所知只有对二维旋转任务中ERP性别差异的研究。如Desrocher等人在1995年用字母和PMA图形作为刺激材料探讨了心理旋转任务中ERP结果的性别差异，潜伏期结果表明，对于PMA图形，角度差越小旋转开始的越晚；对于字母，角度差越大旋转开始的越晚；女性对刺激的辨识开始的更早一点。波幅结果表明脑前部皮层参与了字母的辨识，右脑枕叶后部参与了PMA图形的辨识，与之前关于左右半脑、电极和角度的影响结果一致；女性在辨识后期和旋转前期正波的波幅更大。在最近的一项研究中，Gootjes等人进行了一项二维心理旋转任务中性别差异的ERP研究，他们发现一个早期成分(130～400ms)和一个晚期成分(400～700ms)与任务相关。对于经典的与旋转本身相关的晚成分，男性要比女性大约早出现100 ms，行为数据结果表明，男性的反应时大约比女性短100 ms，这些结果说明男性的旋转过程要比女性开始的早。另外发现男性比女性更侧重于右脑，作者认为这可能是因为男性在心理旋转中使用了整体的策略。
以上研究的结果表明，在心理旋转过程中男性和女性有不同的神经电生理特征。
5 总结及展望
认知的很多方面都存在性别差异，如男性的数学和空间认知能力往往强于女性，而女性的语言认知能力往往强于男性。心理旋转是空间认知的一个重要方面，这类任务中的性别差异更具有普遍性。与心理旋转任务中的性别差异有关的因素有很多，包括生理因素，如：性激素、大脑的大小：还有社会、环境、大脑功能的偏侧化、性取向等因素。还有人认为任务过程中男性和女性分别采用了整体旋转和局部旋转的策略是主要原因。
fMRI和EEG／ERP的研究结果表明，心理旋转任务中的神经机制存在性别差异，而且部分研究具有相似的结论。如fMRI和ERP研究结果都表明，男性和女性可能在心理旋转任务中采用了不同的策略导致神经机制的不同。经典的三维旋转任务中的性别差异更具有普遍性，但是用ERP技术对三维旋转中的性别差异进行的研究还很少，因此进一步探讨三维旋转中ERP的性别差异将是很有意义的工作。
迄今为止，用脑成像技术对心理旋转中性别差异进行的研究中，绝大部分用的都是融合了几个过程(辨识刺激的感知过程；心理旋转；判断两个图形相同还是互为镜像；做出反应)的任务范式，这使得我们不能明确地知道性别差异究竟发生在了具体哪一个过程。而最近的一项研究中，Lamm等人用fMRI对一种全新的，把各认知过程分离开的旋转任务下的脑激活进行了研究，得到了很有意义的结果，但是他们并没有进一步分析性别差异。我们相信，如果利用这种新的任务范式来研究性别差异将会得到很有价值的结果。
在脑成像研究中同时考虑其他因素会得到更全面的结果。如Schoning等人研究表明，处于不同生理周期的被试在心理旋转任务下的脑激活也不同。因此综合多种因素进行研究会得到更加令人信服的结果。另外，在认知任务中同时采集fMRI和ERP数据是近年来较热的研究方法，因为这样的结果同时具有fMRI技术中较高的空间分辨率和ERP技术中较高的时间分辨率。我们认为同时使用fMRI技术和ERP技术对心理旋转中的性别差异进行研究具有很好的前景。
总之，尽管人们通过大量的研究得到了丰富的结果，利用先进的ERP、fMRI等神经影像技术并综合其他研究手段进一步探讨心理旋转中的性别差异还是一项具有挑战性的工作。
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