Adaptation to gradual as compared with sudden visuo-motor distortions

Florian A. Kagerer · José L. Contreras-Vidal & George E. Stelmach（1997）.

如果視覺反饋與運(yùn)動(dòng)方向不一致，視覺-運(yùn)動(dòng)映射就會(huì)中斷，但可以通過練習(xí)來更新。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，受試者在視覺反饋旋轉(zhuǎn)的條件下練習(xí)手臂的離散運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，一組被暴露在視覺反饋旋轉(zhuǎn)的10°階躍增量下，總共達(dá)到90°，第二組在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行90°視覺反饋旋轉(zhuǎn)。第一組達(dá)到90°視覺反饋旋轉(zhuǎn)后，其受試者比在90°視覺反饋旋轉(zhuǎn)條件下持續(xù)練習(xí)的受試者表現(xiàn)得更快，空間誤差更小，并且表現(xiàn)出更大的后效。結(jié)果表明，逐漸增加的反饋失真比突然出現(xiàn)的大幅度失真更能實(shí)現(xiàn)完全適應(yīng)。

視覺引導(dǎo)的肢體運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)性

在視覺引導(dǎo)的肢體運(yùn)動(dòng)中，空間感知的目標(biāo)方向被映射成驅(qū)動(dòng)肢體朝預(yù)定方向運(yùn)動(dòng)的指令。如果視覺空間被人為旋轉(zhuǎn)，視覺空間和運(yùn)動(dòng)空間之間的這種映射是不合適的。

在這種情況下，運(yùn)動(dòng)最初變得無序，運(yùn)動(dòng)路徑不規(guī)則。運(yùn)動(dòng)最初是沿著視覺感知目標(biāo)的方向開始的，但隨著視覺反饋和所執(zhí)行動(dòng)作之間缺乏對應(yīng)關(guān)系變得明顯，并且受試者開始更新視覺-運(yùn)動(dòng)映射圖，運(yùn)動(dòng)中會(huì)進(jìn)行修正（Cunningham 1989）。經(jīng)過實(shí)踐，最初不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)路徑演變成螺旋形和半圓形，最終以直線的形式到達(dá)目標(biāo)（Cunningham和Vardi 1990；Roby Brami和Burnod 1995）。在上一次試驗(yàn)中，對旋轉(zhuǎn)偏差的估計(jì)似乎會(huì)導(dǎo)致在下一次試驗(yàn)開始時(shí)保留的感覺運(yùn)動(dòng)圖上的校正因子進(jìn)行更新。

這種適應(yīng)性過程是基于隨著時(shí)間的推移而發(fā)生的空間內(nèi)部視覺和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)之間映射的更新。?

問題

與突然旋轉(zhuǎn)90°相比，視覺反饋旋轉(zhuǎn)從0°逐漸增加到90°如何影響視覺-運(yùn)動(dòng) map（一種內(nèi)部模型）的適應(yīng)。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）利用感覺反饋來更新肢體與環(huán)境相互作用的內(nèi)部模型。隨著中樞神經(jīng)系統(tǒng)適應(yīng)新的環(huán)境，控制策略的重點(diǎn)從反饋轉(zhuǎn)向前饋控制，因此不需要在線校正。

假設(shè)

假設(shè)視覺反饋旋轉(zhuǎn)的逐漸變化允許系統(tǒng)根據(jù)先前學(xué)習(xí)的信息（例如，在視覺反饋旋轉(zhuǎn)之前獲得的）來估計(jì)只需要在視覺-運(yùn)動(dòng) map中進(jìn)行小更新的小旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)校正，而反饋旋轉(zhuǎn)的突然大變化最初需要在視覺-運(yùn)動(dòng)空間中搜索，以最小化相對于所需內(nèi)部模型參數(shù)的性能誤差。

根據(jù)這一假設(shè)，與突然的90°失真相比，視覺反饋逐漸增加的失真將允許更好地更新內(nèi)部模型。我們也期望當(dāng)視覺反饋旋轉(zhuǎn)在適應(yīng)后突然消失時(shí)，前者有更大的后效（運(yùn)動(dòng)路徑反映了練習(xí)中發(fā)現(xiàn)的偏差）。

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

受試者用右手拿著筆在數(shù)字化平板電腦上向四個(gè)不同的目標(biāo)方向進(jìn)行手臂水平運(yùn)動(dòng)，這些方向在他們面前的電腦屏幕上一次出現(xiàn)一個(gè)（圖2A）。在視覺反饋逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°的情況下，水平平板上從身體向左的移動(dòng)產(chǎn)生垂直屏幕上光標(biāo)的左下移動(dòng)；類似地，旋轉(zhuǎn)10°需要相對于顯示的光標(biāo)移動(dòng)的較小移動(dòng)方向的改變。受試者被要求以最快的速度直達(dá)目標(biāo)。每次試驗(yàn)后立即反饋運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)過程包括11個(gè)區(qū)塊：一個(gè)初始區(qū)塊40個(gè)運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)位于45°、135°、225°和335°的四個(gè)目標(biāo)（每個(gè)目標(biāo)方向10個(gè)移動(dòng)），作為基線條件（正常視覺反饋）。10個(gè)區(qū)塊60個(gè)運(yùn)動(dòng)（每個(gè)目標(biāo)方向15個(gè)）作為練習(xí)條件（旋轉(zhuǎn)視覺反饋）。適應(yīng)后，在基線條件下進(jìn)行16次運(yùn)動(dòng)（每個(gè)目標(biāo)方向4次）以測試后效；每組有兩名受試者只進(jìn)行4次運(yùn)動(dòng)（每個(gè)目標(biāo)方向一次）。四個(gè)靶點(diǎn)的出現(xiàn)順序是隨機(jī)的，但每個(gè)靶點(diǎn)出現(xiàn)的次數(shù)相同。其中一組從第一個(gè)練習(xí)區(qū)開始有90°的視覺反饋旋轉(zhuǎn)（S：突然發(fā)生組），而第二組的視覺反饋旋轉(zhuǎn)以10°增量呈塊狀單調(diào)增加，直到旋轉(zhuǎn)達(dá)到90°（G：逐漸發(fā)生組）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在基線條件下，兩組之間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異。在實(shí)際情況下，兩組表現(xiàn)出相當(dāng)不同的性能曲線。

突然出現(xiàn)的情況導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)直線度嚴(yán)重中斷，逐漸出現(xiàn)的情況幾乎沒有破壞被試在整個(gè)扭曲范圍內(nèi)的表現(xiàn)。

RMSE的增加與試驗(yàn)次數(shù)呈顯著相關(guān)，說明轉(zhuǎn)化難度增加。盡管S組的性能曲線接近G組的性能曲線，但兩組在90°旋轉(zhuǎn)條件下表現(xiàn)出明顯的差異（圖1B中最后兩個(gè)陰影塊）。在RMSE、MT和IDE方面，G組被試的表現(xiàn)優(yōu)于S組。

圖1 兩組的性能曲線。

A 在視覺空間失真逐漸增加（G組：細(xì)線）和突然出現(xiàn)（S組：粗線）導(dǎo)致的持續(xù)較大的均方根誤差（RMSE）條件下，用空間誤差測量的最小性能干擾。。前10次試驗(yàn)顯示了基線性能。x軸上的每個(gè)較長的記號(hào)都標(biāo)志著一個(gè)block的開始，這意味著G組增加了10°，而S組的視覺反饋旋轉(zhuǎn)總是相同的90°。圖右側(cè)的空箭頭表示后效，S組比G組更不明顯。最后120個(gè)練習(xí)動(dòng)作（合并到所示的30個(gè)試驗(yàn)中），兩組都暴露在90°反饋旋轉(zhuǎn)中。C、 D 兩組在最后兩個(gè)練習(xí)block中對IDE和MT的表現(xiàn)。

假設(shè)被試使用彎曲路徑運(yùn)動(dòng)策略，而不是使用“直線路徑校正”，如果一個(gè)運(yùn)動(dòng)開始于偏離方向，其RMSE可能會(huì)更大。

由于后效通常是非常短暫和迅速消散的，作者比較了RMSE和IDE只針對每組的前四個(gè)練習(xí)后動(dòng)作（基線狀態(tài)）。圖2D中兩組都表現(xiàn)出后效，并開始朝著旋轉(zhuǎn)反饋的方向移動(dòng)。t檢驗(yàn)顯示，在正常視覺反饋下，G組在訓(xùn)練后表現(xiàn)的RMSE和IDE顯著高于S組（表1）。

圖2 每組被試的運(yùn)動(dòng)路徑；顯示了一個(gè)block的前四個(gè)試驗(yàn)。顯示起始位置（HP）和目標(biāo)（T）。被試從起始位置開始，移動(dòng)到監(jiān)視器上顯示的目標(biāo)（1×1cm）。

左欄：A組 基線成績，B組 10°視覺反饋旋轉(zhuǎn)下的成績，C組 90°視覺反饋旋轉(zhuǎn)下的成績（最后一個(gè)區(qū)塊）。可變性很小，90°條件下的曲率略高于基線性能。

右欄：A組 基線成績，B組 90°視覺反饋旋轉(zhuǎn)下的成績（第一個(gè)練習(xí)區(qū)塊），C組 90°視覺反饋旋轉(zhuǎn)成績（最后一個(gè)區(qū)塊）。D組 逐漸練習(xí)后的后效比突然發(fā)生更明顯，這表明G組的視覺-運(yùn)動(dòng)map更為詳細(xì)。

結(jié)論

這些結(jié)果表明，與突然出現(xiàn)的大失真相比，逐漸增加的視覺反饋旋轉(zhuǎn)允許更完全地適應(yīng)這種失真，并且在性能上的干擾最小。由于失真的增加是逐步增加的，人們可以說，被試預(yù)期每一個(gè)新的區(qū)塊都會(huì)發(fā)生變化。然而，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，G組的所有被試都報(bào)告說，除了在后效試驗(yàn)期間，他們沒有注意到任何系統(tǒng)性變化。