Reference frames reverse biases in human heading perception
本研究通过证明感知偏差的方向（向正前方或背离正前方）取决于用于报告的参照系（自我中心参照系或分配中心参照系），解决了人类头部朝向感知中存在的研究结果冲突，这一现象得到了 θ 波段功率中截然不同的神经特征的支持，并由贝叶斯因果推理模型所解释。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
当我们穿行于世界之中时，我们的眼睛看到的不仅仅是静态的图像；它们看到的是被称为“光流”（optic flow）的奔涌视觉信息流。想象一下，当你站在火车站台上，看着一列火车驶离：轨道和站台的墙壁似乎从你面前的一个点向外扩散。这种视觉模式是我们的脑部用来判断行进方向的主要线索，科学家称之为“航向”（heading）。几十年来，研究人员一直试图绘制出大脑如何精确计算这一方向的图谱，但却遇到了一个令人困惑的障碍。一些实验表明，当人们猜测自己的行进方向时，他们往往会略微向中心靠拢，仿佛被向内拉动一样。而另一些使用不同设置的实验则发现了相反的情况：人们似乎会略微远离中心，被向外推。这种矛盾让科学家们感到困惑，他们怀疑是大脑本身不可靠，还是实验设计中的某些因素误导了参与者。
由马尔堡大学的雷娜特·赖森内格（Renate Reisenegger）领导的研究小组现在为这个存在了数十年的谜题提出了一个解决方案。他们认为，大脑并非前后矛盾，而是答案完全取决于人们被要求如何报告其方向。这项发表在近期一期科学期刊上的研究表明，我们所采用的心理视角——无论是从自身的视角看待运动，还是从脱离自身的、类似地图的视角看待运动——都会从根本上改变误差的方向。通过使用完全相同的视觉场景测试同一批人，并要求他们以两种不同的方式进行回答，研究人员展示了仅仅通过改变“游戏规则”，大脑就可以被向内拉或被向外推。
为了测试这一想法，研究团队利用一个巨大的弧形屏幕构建了一个独特的实验室装置，该屏幕环绕着观察者，覆盖了约224度的视野。这种“无边际”显示器让参与者能够看到一个沉浸式的模拟场景：在移动的点阵构成的平坦地面上行走，且没有任何可见的边界来分散他们的注意力。在研究的第一部分，37名志愿者观看这些关于自我运动的短片，并被要求报告他们认为自己正在朝哪个方向行进。研究人员将任务分为两种截然不同的模式。在第一种模式，即“自我中心”（egocentric）条件下，参与者从自身的视角报告方向，指向代表其直接视野的一条水平线上的某个点。在第二种模式，即“分配中心”（allocentric）条件下，参与شی者被要求想象自己是从上方俯瞰的鸟瞰视角，并指向圆弧或全圆上的方向。
结果是显著且直接的。当参与者从自身视角进行报告时，他们的猜测始终向正前方方向偏移。如果他们实际上是向左轻微移动，他们报告的方向会比实际情况更靠近中心。这被称为“向心偏差”（centripetal bias）。然而，当这群完全相同的人切换到“鸟瞰”视角并在分配中心框架下进行报告时，偏差完全反转了。现在，他们的猜测会远离中心。如果他们实际上是向左轻微移动，他们报告的方向会比实际情况更偏左。尽管视觉刺激是相同的，且可选答案的范围也一致，但出现了这种“离心偏差”（centrifugal bias）。研究人员还测试了是否是由于答案范围的大小导致了这一现象（此前的一些理论曾提出过此观点），但发现改变圆圈的大小并不会改变偏差的方向。唯一起作用的是参考框架。
为了理解大脑在切换过程中发生了什么，团队进行了第二项实验，使用了21名不同的志愿者。这一次，他们使用了标准的电脑显示器，并使用脑电图（EEG）记录参与者的脑活动，脑电图可以测量头皮上的电信号。参与者观看同样的移动点阵，但他们不需要指向某个方向，而是要快速决定一个短暂的闪光是出现在他们记忆中的航向左侧还是右侧。至关重要的是，在每次试验前都会出现一个提示，告诉他们是使用自身的视角还是鸟瞰视角。研究人员关注的是从提示到回答之间的时刻，即大脑准备进行信息转换的阶段。
脑电扫描显示，根据任务的不同，脑部活动呈现出明显的差异。当参与者准备以鸟瞰视角进行回答时，他们的脑部在后脑和头顶部位表现出 theta 波和 alpha 频段显著的节律性电活动增加。这种活动模式通常与涉及导航和空间记忆的脑区（如后穹状皮层和海马体）相关。相比之下，当他们准备从自身视角回答时，这种额外的电活动激增并不存在。这表明，大脑必须进行更多的“心理体操”，才能完成从自我中心视角到世界中心地图的转换，而这种额外的处理步骤很可能就是引入向外偏差的原因。
最后，研究人员使用了一个基于大脑如何结合感官信息与既往预期进行运算的计算机模型来解释这些发现。该模型显示，大脑内部的“地图”会根据任务的不同而发生变化。当人们从自身视角思考运动时，他们过度依赖于刚刚看到的特定运动范围，这会将他们的估计值拉向中心。但当他们切换到鸟瞰视角时，大脑似乎采用了更宽、更平坦的预期，假设运动可能发生在整个圆周内的任何方向。这种预期的转变，结合大脑对“正前方”运动的自然敏感性，产生了向外的推力。研究结论指出，在航向研究史上出现的冲突结果并非源于人类感知的缺陷，而是因为不同的实验在不知不觉中要求大脑在两个不同的坐标系中解决问题。通过识别出参考框架本身驱动了偏差，该团队解开了一个长期存在的视觉科学之谜，证明了我们提问的方式会从根本上改变大脑给出的答案。
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