摘要：性別差異是認(rèn)知心理學(xué)中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。男性在執(zhí)行空間認(rèn)知任務(wù)時(shí)的表現(xiàn)往往好于女性，在心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中，這種現(xiàn)象更為普遍。近年來(lái)，人們?cè)谛袨楹湍X成像等層面對(duì)心理旋轉(zhuǎn)中的性別差異進(jìn)行了大量的研究，該文通過(guò)對(duì)其中一部分研究的回顧描述了心理旋轉(zhuǎn)的性別差異在行為及腦成像實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)，總結(jié)了可能導(dǎo)致這種性別差異的生理及策略等因素。
　　關(guān)鍵詞：空間認(rèn)知，心理旋轉(zhuǎn)，性別差異　分類(lèi)號(hào)：B842
　　
　　1　引言
　　
　　在1971年，Shepard和Metzler明確提出心理旋轉(zhuǎn)(mental rotation)的概念并進(jìn)行了三維旋轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，被試的反應(yīng)時(shí)間與所需旋轉(zhuǎn)的角度之間成線性關(guān)系，即旋轉(zhuǎn)的角度越大反應(yīng)時(shí)越長(zhǎng)。在之后的研究中人們不斷的改進(jìn)和重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，很多結(jié)果表明男性在心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中的表現(xiàn)明顯好于女性。近年來(lái)，探討心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中的性別差異成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)其中一些具有代表性的行為研究、功能磁共振成像(functional MagneticResonance Imaging，fMRI)研究和腦電(Electroence-phalography,EEG)研究的總結(jié)，描述了性別差異在這些實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)，概括了可能導(dǎo)致這種性別差異的原因。
　　
　　2　心理旋轉(zhuǎn)行為實(shí)驗(yàn)中的性別差異
　　
　　2.1　任務(wù)時(shí)限與性別差異
　　Vandenberg和Kuse在1978年設(shè)計(jì)了一個(gè)經(jīng)典的關(guān)于心理旋轉(zhuǎn)的測(cè)試(mental rotation test，MRT)，在該測(cè)試中，每個(gè)測(cè)試項(xiàng)(trial)包含5個(gè)類(lèi)似于Shepard和Metzler設(shè)計(jì)的由小立方體構(gòu)成的三維圖形，第一個(gè)圖形為標(biāo)準(zhǔn)圖，后邊四個(gè)圖形中有兩個(gè)為標(biāo)準(zhǔn)圖旋轉(zhuǎn)一定角度之后的結(jié)果(旋轉(zhuǎn)一定角度之后能夠與標(biāo)準(zhǔn)圖完全重合)，要求被試選出這兩個(gè)圖形，并在一定的時(shí)間內(nèi)完成一定數(shù)目的測(cè)試項(xiàng)，被試每選對(duì)一個(gè)圖就會(huì)多得一分。在這種測(cè)試中，男性的得分往往高于女性。
　　然而Goldstein等人在1990年研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不對(duì)該測(cè)試設(shè)置時(shí)間限制時(shí)，性別差異就會(huì)消失。他們進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)一中要求被試執(zhí)行有時(shí)限的MRT任務(wù)，但是采用兩種計(jì)分方法，一種是總得分，一種是得分率(判斷正確的項(xiàng)數(shù)與完成項(xiàng)數(shù)的比值)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)男性的總得分明顯高于女性，而男性的得分率與女性沒(méi)有差異。在實(shí)驗(yàn)二中，被試分別執(zhí)行有時(shí)限的MRT和無(wú)時(shí)限的MRT。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在有時(shí)限的任務(wù)中男性得分明顯高于女性，在無(wú)時(shí)限的任務(wù)中無(wú)性別差異。因此Goldstein等人認(rèn)為，心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中的性別差異與實(shí)驗(yàn)實(shí)施的因素有關(guān)。
　　但是之后類(lèi)似的研究并不支持Goldstein等人的觀點(diǎn)。如Peters在2005年的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把MRT任務(wù)的時(shí)限延長(zhǎng)到兩倍時(shí)仍然有相同程度的性別差異。Resnick在1993年的研究表明，MRT中的時(shí)限并不能充分解釋性別差異。Voyer等人在2004年分別用5種和3種時(shí)限來(lái)研究性別差異，發(fā)現(xiàn)性別差異并不會(huì)隨時(shí)限的延長(zhǎng)而消失。Delgado和Prieto在1996年的研究也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)時(shí)限對(duì)性別差異的影響。Masters在1998年的研究結(jié)果表明，不同的計(jì)分方式和有無(wú)時(shí)限的測(cè)試都有相似的性別差異。這些結(jié)果表明，時(shí)間限制并不是造成性別差異的主要原因。
　　
　　2.2　任務(wù)維數(shù)和刺激材料對(duì)性別差異的影響
　　Collins和Kimura在1997年對(duì)三種任務(wù)進(jìn)行研究，一種是三維的MRT任務(wù)，另外兩種分別是難度較小和難度較大的二維旋轉(zhuǎn)任務(wù)。結(jié)果表明，對(duì)于難度較大的二維旋轉(zhuǎn)任務(wù)，性別差異程度與三維MRT任務(wù)一樣，而難度較小的二維旋轉(zhuǎn)任務(wù)中的性別差異沒(méi)有那么明顯。
　　Peters等人在1995年對(duì)MRT任務(wù)和一種改進(jìn)的難度更大的MRT任務(wù)(需要圍繞兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn))相比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種任務(wù)中性別差異程度相似。
　　以上研究的結(jié)果表明，二維旋轉(zhuǎn)和三維旋轉(zhuǎn)任務(wù)都有性別差異，二維旋轉(zhuǎn)中的性別差異與任務(wù)難度有關(guān)，三維旋轉(zhuǎn)中的性別差異可能與難度無(wú)關(guān)。
　　
　　2.3　性別差異的精密計(jì)時(shí)研究
　　另外一種研究心理旋轉(zhuǎn)中性別差異的方法為精密計(jì)時(shí)法。具體方法為：同時(shí)給被試呈現(xiàn)兩個(gè)圖形，其中一個(gè)相對(duì)于另一個(gè)旋轉(zhuǎn)一定的角度，讓被試判斷二者為同一圖形還是關(guān)于鏡面對(duì)稱(chēng)。Cooper和Shepard認(rèn)為被試的反應(yīng)時(shí)間是以下過(guò)程的總和：刺激編碼，心理旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后比較刺激，做出選擇并執(zhí)行。當(dāng)把旋轉(zhuǎn)角度作為x軸，反應(yīng)時(shí)作為y軸時(shí)，研究人員認(rèn)為反應(yīng)時(shí)與旋轉(zhuǎn)角度回歸線斜率的倒數(shù)是旋轉(zhuǎn)速度，在y軸的截距就是感知比較過(guò)程所需的時(shí)間。
　　精密計(jì)時(shí)的研究得出的結(jié)果并不清晰，因?yàn)椴煌膶?shí)驗(yàn)性別之間在信息處理上有差異。有時(shí)候在斜率上有差異，表明男性旋轉(zhuǎn)速度快。有時(shí)在y軸的截距和斜率都有差異，有時(shí)只截距有差異，表明男性在感知上強(qiáng)于女性。
　　最近研究表明，截距不僅包含感知比較的時(shí)間，還包含對(duì)旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)備時(shí)間。如Ilan和Miller曾探討旋轉(zhuǎn)過(guò)程是否是簡(jiǎn)單的插入了其他過(guò)程中。他們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)序列的實(shí)驗(yàn)，第一個(gè)序列中都是方位差為0度(旋轉(zhuǎn)0度)的兩個(gè)圖形組成的刺激，第二個(gè)序列中既有方位差為0度的兩個(gè)圖形組成的刺激，又有方位差大于0度的兩個(gè)圖形組成的刺激。研究者的思路是：如果兩個(gè)圖形相差一定角度，則會(huì)發(fā)生下列過(guò)程：1)辨識(shí)刺激的感知過(guò)程；2)心理旋轉(zhuǎn)；3)判斷兩個(gè)圖形相同還是互為鏡像；4)做出反應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)圖形的方位相差0度時(shí)只有1、3、4三個(gè)過(guò)程發(fā)生，當(dāng)兩個(gè)圖形之間的方位差大于0度時(shí)，如果過(guò)程2是簡(jiǎn)單的插入過(guò)程1和過(guò)程3中，那么被試對(duì)每個(gè)序列中方位差為0度的兩個(gè)圖形組成的刺激的反應(yīng)時(shí)間應(yīng)該是相等的。但是，結(jié)果發(fā)現(xiàn)被試對(duì)第二個(gè)序列中方位差為0度的兩個(gè)圖形組成的刺激的反應(yīng)時(shí)明顯長(zhǎng)于第一個(gè)序列中刺激的反應(yīng)時(shí)，因此研究者認(rèn)為，反應(yīng)時(shí)的截距可能是感知比較和對(duì)旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)備時(shí)間之和。反應(yīng)時(shí)截距的性別差異可能是感知對(duì)比或其與旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)備時(shí)間混合結(jié)果的差異。
　　Jansen-Osmann和Heil用字母、數(shù)字、PMA(primary mental abilities)圖形、動(dòng)物圖形、多角形和三維圖形作為刺激材料來(lái)研究旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)備時(shí)間的性別差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有對(duì)多角形的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)備時(shí)間才有非常明顯的性別差異。
　　以上研究結(jié)果表明，在心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中，旋轉(zhuǎn)速度和信息處理(感知比較和旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)備時(shí)間)都有性別差異，而且這種差異與刺激材料有關(guān)，原因還不是很清楚。
　　
　　3　心理旋轉(zhuǎn)中性別差異的IMRI研究
　　
　　近年來(lái)，fMRI被成功的用在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中，這使得人們能夠很方便的研究心理旋轉(zhuǎn)神經(jīng)機(jī)制的性別差異。但是很多研究者認(rèn)為利用fMRI進(jìn)行研究時(shí)需要消除行為上的性別差異，這樣才能避免把 腦激活模式的性別差異歸因于行為表現(xiàn)的不同。
　　Jordan等人用fMPI對(duì)心理旋轉(zhuǎn)(用到三維圖形、字母、二維抽象圖形三種刺激材料)過(guò)程中的腦激活進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)女性在雙側(cè)頂內(nèi)溝、頂上葉、項(xiàng)下葉、顳下回和運(yùn)動(dòng)前區(qū)有顯著激活。男性在右腦頂枕溝、左腦頂內(nèi)溝、左腦頂上葉有顯著激活。男性和女性在運(yùn)動(dòng)前區(qū)都有激活，另外男性在左腦的運(yùn)動(dòng)區(qū)也有激活，而顳下回沒(méi)有激活。他們認(rèn)為男性和女性在心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中的腦激活模式不同可能表明男性和女性在任務(wù)過(guò)程中采用了不同的策略。
　　Hugdahl等人對(duì)經(jīng)典的三維旋轉(zhuǎn)任務(wù)研究發(fā)現(xiàn)，頂葉(BA7)和雙側(cè)額下回(BA44／45)有大量激活，男性在項(xiàng)葉有更強(qiáng)激活，女性在額下回有更強(qiáng)激活。研究者分析認(rèn)為，這些結(jié)果可能表明男性側(cè)重于空間的坐標(biāo)(coordinate)處理過(guò)程，女性側(cè)重于序列(serial)的類(lèi)屬(categorical)處理過(guò)程。
　　Butler等人也用tMRI對(duì)經(jīng)典的三維旋轉(zhuǎn)任務(wù)進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)女性在前額葉的背內(nèi)側(cè)和其他較高級(jí)的皮層比男性有更強(qiáng)激活，表明女性以更費(fèi)力的自上而下的方式執(zhí)行心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)；而男性在初級(jí)感覺(jué)皮層和學(xué)習(xí)、心理表象相關(guān)的腦區(qū)(基底核、楔前葉)有更強(qiáng)激活，這貼近更自動(dòng)的自下而上的策略。功能聯(lián)通分析結(jié)果與行為數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)合表明，正確的行為與頂側(cè)．腦島前庭皮層的負(fù)激活關(guān)聯(lián)。研究者認(rèn)為這些結(jié)果也許表明男性在心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中使用了一種有效的、下意識(shí)的自下而上的神經(jīng)策略，而這可能是男性具有更強(qiáng)的視空間能力的一個(gè)原因。
　　雖然利用fiVIRI技術(shù)人們可以很直觀的研究在心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中腦激活的性別差異，但是迄今人們還沒(méi)有得出一致的結(jié)論，因此還需要進(jìn)一步的研究。
　　
　　4　心理旋轉(zhuǎn)中性別差異的EEG／ERP研究
　　
　　EEG是另外一種在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中應(yīng)用比較廣泛也很成熟的技術(shù)，Robets和Bell用EEG功率譜分析對(duì)心理旋轉(zhuǎn)中神經(jīng)電生理的性別差異進(jìn)行了一系列研究，他們發(fā)現(xiàn)在二維旋轉(zhuǎn)任務(wù)中男性更側(cè)重于左腦項(xiàng)葉，女性更側(cè)重于右腦頂葉。而在更復(fù)雜的三維旋轉(zhuǎn)任務(wù)中，男女都側(cè)重于右腦頂葉。對(duì)于行為結(jié)果，三維旋轉(zhuǎn)中男性好于女性，二維旋轉(zhuǎn)中男性和女性沒(méi)有差異。這表明，男性和女性在二維和三維旋轉(zhuǎn)任務(wù)中采用了不同的神經(jīng)機(jī)制。當(dāng)分別對(duì)小孩和大學(xué)生進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)男性大學(xué)生在頂葉和顳葉后部比女性大學(xué)生有更強(qiáng)激活，而小男孩和小女孩在項(xiàng)葉和顳葉后部的激活沒(méi)有差異。進(jìn)一步對(duì)不同刺激材料旋轉(zhuǎn)的研究表明，在二維的字母數(shù)字旋轉(zhuǎn)任務(wù)中，男性大學(xué)生在左腦顳葉后部有激活，在二維小人圖形的旋轉(zhuǎn)任務(wù)中，男性大學(xué)生和男孩在左腦頂葉都較女性大學(xué)生和女孩有更強(qiáng)的激活。在三維籃球運(yùn)動(dòng)員圖形的旋轉(zhuǎn)任務(wù)中，所有被試在右腦頂葉的激活都強(qiáng)于左腦頂葉。研究者認(rèn)為這些結(jié)果有助于了解兒童到成人腦激活和認(rèn)知發(fā)展的變化。
　　事件相關(guān)電位(event-relatedpotential，ERP)是一種通過(guò)疊加提取出由刺激誘發(fā)的腦電位的技術(shù)，它的主要優(yōu)點(diǎn)是具有很高的時(shí)間分辨率，能夠與具有較高空間分辨率的fMRI技術(shù)互補(bǔ)。然而心理旋轉(zhuǎn)中性別差異的ERP研究很少，據(jù)我們所知只有對(duì)二維旋轉(zhuǎn)任務(wù)中ERP性別差異的研究。如Desrocher等人在1995年用字母和PMA圖形作為刺激材料探討了心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中ERP結(jié)果的性別差異，潛伏期結(jié)果表明，對(duì)于PMA圖形，角度差越小旋轉(zhuǎn)開(kāi)始的越晚；對(duì)于字母，角度差越大旋轉(zhuǎn)開(kāi)始的越晚；女性對(duì)刺激的辨識(shí)開(kāi)始的更早一點(diǎn)。波幅結(jié)果表明腦前部皮層參與了字母的辨識(shí)，右腦枕葉后部參與了PMA圖形的辨識(shí)，與之前關(guān)于左右半腦、電極和角度的影響結(jié)果一致；女性在辨識(shí)后期和旋轉(zhuǎn)前期正波的波幅更大。在最近的一項(xiàng)研究中，Gootjes等人進(jìn)行了一項(xiàng)二維心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中性別差異的ERP研究，他們發(fā)現(xiàn)一個(gè)早期成分(130～400ms)和一個(gè)晚期成分(400～700ms)與任務(wù)相關(guān)。對(duì)于經(jīng)典的與旋轉(zhuǎn)本身相關(guān)的晚成分，男性要比女性大約早出現(xiàn)100 ms，行為數(shù)據(jù)結(jié)果表明，男性的反應(yīng)時(shí)大約比女性短100 ms，這些結(jié)果說(shuō)明男性的旋轉(zhuǎn)過(guò)程要比女性開(kāi)始的早。另外發(fā)現(xiàn)男性比女性更側(cè)重于右腦，作者認(rèn)為這可能是因?yàn)槟行栽谛睦硇D(zhuǎn)中使用了整體的策略。
　　以上研究的結(jié)果表明，在心理旋轉(zhuǎn)過(guò)程中男性和女性有不同的神經(jīng)電生理特征。
　　
　　5　總結(jié)及展望
　　
　　認(rèn)知的很多方面都存在性別差異，如男性的數(shù)學(xué)和空間認(rèn)知能力往往強(qiáng)于女性，而女性的語(yǔ)言認(rèn)知能力往往強(qiáng)于男性。心理旋轉(zhuǎn)是空間認(rèn)知的一個(gè)重要方面，這類(lèi)任務(wù)中的性別差異更具有普遍性。與心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中的性別差異有關(guān)的因素有很多，包括生理因素，如：性激素、大腦的大�。哼�有社會(huì)、環(huán)境、大腦功能的偏側(cè)化、性取向等因素。還有人認(rèn)為任務(wù)過(guò)程中男性和女性分別采用了整體旋轉(zhuǎn)和局部旋轉(zhuǎn)的策略是主要原因。
　　fMRI和EEG／ERP的研究結(jié)果表明，心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中的神經(jīng)機(jī)制存在性別差異，而且部分研究具有相似的結(jié)論。如fMRI和ERP研究結(jié)果都表明，男性和女性可能在心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中采用了不同的策略導(dǎo)致神經(jīng)機(jī)制的不同。經(jīng)典的三維旋轉(zhuǎn)任務(wù)中的性別差異更具有普遍性，但是用ERP技術(shù)對(duì)三維旋轉(zhuǎn)中的性別差異進(jìn)行的研究還很少，因此進(jìn)一步探討三維旋轉(zhuǎn)中ERP的性別差異將是很有意義的工作。
　　迄今為止，用腦成像技術(shù)對(duì)心理旋轉(zhuǎn)中性別差異進(jìn)行的研究中，絕大部分用的都是融合了幾個(gè)過(guò)程(辨識(shí)刺激的感知過(guò)程；心理旋轉(zhuǎn)；判斷兩個(gè)圖形相同還是互為鏡像；做出反應(yīng))的任務(wù)范式，這使得我們不能明確地知道性別差異究竟發(fā)生在了具體哪一個(gè)過(guò)程。而最近的一項(xiàng)研究中，Lamm等人用fMRI對(duì)一種全新的，把各認(rèn)知過(guò)程分離開(kāi)的旋轉(zhuǎn)任務(wù)下的腦激活進(jìn)行了研究，得到了很有意義的結(jié)果，但是他們并沒(méi)有進(jìn)一步分析性別差異。我們相信，如果利用這種新的任務(wù)范式來(lái)研究性別差異將會(huì)得到很有價(jià)值的結(jié)果。
　　在腦成像研究中同時(shí)考慮其他因素會(huì)得到更全面的結(jié)果。如Schoning等人研究表明，處于不同生理周期的被試在心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)下的腦激活也不同。因此綜合多種因素進(jìn)行研究會(huì)得到更加令人信服的結(jié)果。另外，在認(rèn)知任務(wù)中同時(shí)采集fMRI和ERP數(shù)據(jù)是近年來(lái)較熱的研究方法，因?yàn)檫@樣的結(jié)果同時(shí)具有fMRI技術(shù)中較高的空間分辨率和ERP技術(shù)中較高的時(shí)間分辨率。我們認(rèn)為同時(shí)使用fMRI技術(shù)和ERP技術(shù)對(duì)心理旋轉(zhuǎn)中的性別差異進(jìn)行研究具有很好的前景。
　　總之，盡管人們通過(guò)大量的研究得到了豐富的結(jié)果，利用先進(jìn)的ERP、fMRI等神經(jīng)影像技術(shù)并綜合其他研究手段進(jìn)一步探討心理旋轉(zhuǎn)中的性別差異還是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。

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