现代心理实验技术的发展与应用

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摘要：本文回顾了心理实验研究技术手段的发展历程，介绍了心理实验技术的简要分类，并对当今心理学界广泛使用的各种实验研究技术从原理和应用概况方面作了详细的探讨，包括认知实验心理范式、认知神经科学范式和生物电技术范式三大类实验研究技术，最后对心理实验技术的发展态势作了展望。

关键词：心理技术；实验技术；认知心理学；认知神经科学；综述

一、 心理实验技术的发展概述

1879 年，冯特在德国莱比锡大学创建了世界上第一个心理学实验室，标志着心理学从此成为一门独立的实验科学[1]。为了与过去的心理学有所区别，人们将这时开始的心理学称之为科学心理学，它作为一门学科的发展历史至今仅一百多年。从心理学的历史发端我们可以看出，实验研究方法在其中起到了举足轻重的作用。从19世纪末到20世纪20年代，在科学心理学诞生后的最初几十年里，心理学的研究方法和技术主要是传统的心理物理法。仪器设备还处于朴素的机械装置水平，对心理和行为的研究主要是通过表面上看得见、摸得着的现象推断内在的心理过程。在行为主义心理学的鼎盛时期（从20世纪20到60年代），研究方法与技术手段主要是围绕着行为主义的思想和研究思路，即采用测量刺激―反应的过程的技术路线来推断心理和行为的内部机制。如巴甫洛夫研究狗的条件反射活动的条件反射装置；桑代克的用来研究猫的行为习得的迷笼装置；斯金纳进行操作性条件反射研究的“斯金纳箱”。从20世纪60年代到现在，认知心理学的兴起逐渐取代了行为主义的研究思路，心理学家开始采用新的方法和技术手段来研究心理与行为活动背后的心理机制。如认知心理学研究最常用的实验技术就是反应时测量技术。20世纪90年代以来，医学研究的技术手段在心理学中得到广泛的应用，并产生了新的学科――认知神经科学，如常用的实验仪器有功能磁共振成像技术（fMRI）、正电子扫描技术（PET）、脑电技术（EEG/ERP）等，这些认知神经科学技术的应用把脑机制的研究推动到一个崭新的阶段[2]。

当代心理学跟古代心理学的本质差异主要表现在研究方法和手段上[3]。19 世纪以前，哲学家多采用“思辨”的方法去探讨心理现象。他们运用臆测、内省、推理和直觉，或基于个人的主观经验来推测心理的本质。他们常被心理史学家们称为“安乐椅上的心理学家”。现代心理学家则特别注重采用观察、调查、访谈和实验等方法来研究各种心理现象。心理学的发展历史表明，研究方法和各种技术手段对心理科学的产生和发展轨迹有着关键性影响。

二、 心理实验技术的分类

莫雷等人对传统的心理学研究方法体系重新进行了建构[3-4]，提出双层次的研究方法与技术体系，其中对第二层次的研究技术的分类如图1所示。他们将变量数据的获得方法（即主要指心理学的实验研究技术）总体上概括成三类：第一类是测评法，就是通过测评技术来获得变量数据，主要包括测量法、问卷法、评定法等。第二类是实验心理范式，即在实验中对各种心理特质或行为的特定的作业测定方式，这些实验范式的形成，都是由某项研究首先创立，由于其准确有效而为后来的研究所沿用，从而成为进行某种特质研究时取得量化数据的典型方式（范式） 。实验心理范式可以分为传统的实验心理范式与现代认知实验心理范式，采用新的实验仪器如眼动仪等而形成的获得变量数据的手段也列为这类范式。第三类是认知神经科学范式，这种研究范式从20世纪后期开始出现，现在正逐步成为心理学研究的主流取向，它运用功能性核磁共振技术、事件相关电位技术、脑磁图、单细胞记录技术等手段，从神经机制的水平来获得数据材料，以证明有关心理现象与心理规律的观点。

其中，第二类和第三类方法区别于第一类的“测评法”，是同属于实验法的技术范式。实验法是目前心理科学乃至现代自然科学最主要的研究方法，在科学方法中，实验法是公认的最严谨的方法，自然科学之所以进步，主要是依靠实验方法上的一再突破[5]。因此，本文着重讨论实验法下的各种心理实验技术。

从国内外现行的各种实验研究技术的应用看，图1虚线框内的“认知实验心理范式”和“认知神经科学范式”两类实验技术范式最为流行、应用最为广泛，为区别于传统实验心理范式，我们将认知实验心理范式和认知神经科学范式统称为现代心理实验技术范式。认知实验心理范式主要是指当代认知心理学各研究领域所采用的实验技术，其研究的核心是揭示认知过程的内部心理机制，即信息是如何获得、贮存、加工和使用的[6]。认知心理学家是用信息论、控制论及计算机的概念理解和解释心理现象并构建心理过程的模型，他们将大脑视为一个黑匣子，很少考虑其理论的神经基础或者心理现象的脑机制[7]。日常生活、临床经验和科学研究都表明：脑是心理的器官，心理是脑的机能[8-9]。著名的认知神经科学家加扎尼加指出，如果不研究大脑，我们根本无法真正揭示心理活动到底是怎样进行的[10]。认知神经科学范式恰恰弥补了认知实验心理范式研究中的缺陷和诸多不足。认知神经科学把心理与大脑的统一理解作为自己的目标，强调心理活动是大脑的功能这个简单的真理[11]，并以心理的物质基础――大脑，为研究本源，探讨心理和行为的脑机制。

三、 现代心理实验技术与应用

（一）认知实验心理范式

认知实验心理范式主要指建立在现代信息加工观点之上的实验技术范式。其主要特点是借助于复杂的实验设计，通过反应时和正确率等较简单的指标，实现对人类心理与行为内部机制的研究。目前，国内外各实验室应用比较广泛的认知实验技术主要包括行为实验技术、眼动实验技术和虚拟现实技术三大类。

1. 行为实验技术

信息加工心理学主张用信息加工的术语和计算机工作原理对人类行为进行准确的描述，通过计算机模拟验证有关认知过程的心理学理论。但在实际的研究中，信息加工心理学中应用最广泛的方法并不是计算机模拟法，而是以信息加工思想为指导的认知行为实验法，我们常称之为认知行为实验技术或行为实验技术。目前，此类技术主要是通过计算机来实现心理实验材料的编辑与制作、实验参数控制、实验过程与实验设计控制、被试信息与实验数据的采集与初步处理等的全过程，既可以使心理实验标准化，同时也尽可能避免各种可能影响实验结果的额外因素对实验结果造成的不利影响。除计算机硬件本身的技术外，全球通用的标准化心理实验生成系统也越来越多地面诸于世，如E-Prime、Inquist、D-Master、SuperLab、Presentation，等等。这些标准化的软件，使心理实验的误差最小化，也使心理学实验重复验证的差异最小化[4，12]。

2. 眼动实验技术

眼睛是心灵的窗口，透过这个窗口我们可以探究人的许多心理活动的规律。因此对于“人是如何看事物”的科学研究一直没有间断过。关于这一点，对于眼睛的运动（即眼动）的研究被认为是视觉信息加工研究中最有效的手段。由此，眼动研究技术应运而生，精密地测量眼动规律的各种仪器即眼动仪也相继问世，为心理学的实验研究提供了新的有效工具。

眼动研究是通过眼动仪记录被试在完成心理任务时眼球运动的信息来研究相关的心理活动及规律。如通过记录被试的注视时间与频率、眼跳次数与角度、回扫次数、兴趣区（AOI）、眼球运动轨迹等客观指标，探索人的心理现象和活动规律。眼动在心理学研究方面的应用主要集中在阅读心理、图形认知、广告心理和交通心理等方面。眼动在应用领域的研究也很成熟，如工效学、广告学、航空、医学和体育等都有诸多的应用研究[13，14]。

3. 虚拟现实技术

虚拟现实是指用计算机生成一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。从本质上来说，虚拟现实是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大程度地方便用户操作。一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境，以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器，以头盔显示器为核心的视觉系统，以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统，以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。其主要设备有BOOM可移动式显示器、数据手套、TELETACT手套、数据衣等。

虚拟现实技术在心理学研究方面也有广泛的应用。如美国心理学家利用虚拟现实技术成功治疗恐高症和恐物症；英国科学家目前也正利用此项技术研究一种普遍的心理疾病――妄想症。在军事训练方面，运用虚拟现实技术创造出部队训练所需的“人工合成作战环境”，使参训者能体会到视觉、听觉、触觉等人体全部感觉的作用。运用战争“预实践”开展心理训练，具有传统理论教育、心理疏导、实装模拟、实兵演习等心理训练模式所不具有的独特优势。

（二）认知神经科学范式

认知神经科学被视为21世纪的领头学科，同时也是代表当前科学心理学最先进研究理念和最高研究水平的一种研究范式。认知神经科学是一门研究人脑高级功能的学科，其研究目的在于阐明认知活动的脑机制，它采用自下而上的研究策略，从大脑的工作方式入手来研究认知，并通过各种无创伤的研究技术手段，直接观察大脑及其加工过程[15]。

目前，认知神经科学常用的研究技术主要可分成脑成像技术和脑损伤技术两大类。脑成像技术中以fMRI、ERP、MEG、PET、NIRS五大技术最受欢迎和重视。脑损伤技术主要是通过虚拟脑损伤的方法来实现，但这种脑损伤是暂时的、可逆的，目前主要通过TMS技术来实现。

1. 功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI ）

功能磁共振成像（fMRI ）技术是通过一定的刺激使大脑皮层各功能区在磁共振设备上成像的方法，它结合了功能、影像和解剖三方面的因素，是一种在活体人脑定位各功能区的有效方法。fMRI的成像原理是脑的神经活动中血红蛋白的动力学反应。当神经活动增加时局部的血流量增加，引起局部的脱氧血红蛋白浓度下降。脱氧血红蛋白是顺磁性物质，产生局部梯度磁场，使脑激活区信号相对升高，通过磁共振成像系统采集到的图像上可见到激活脑区的信号强度增加，从而获得激活脑区的功能成像图。fMRI具有诸多优势，如无创伤性、无放射性、较高的空间分辨率、可重复操作等，因此，fMRI作为脑功能成像的首选方法已被较广泛地应用。fMRI在视觉、听觉、嗅觉、语言及认知功能、情绪活动、躯体运动功能、躯体感觉功能等方面都有诸多的研究和应用[16]。

2. 正电子发射计算机断层显像（positron emission computed tomography，PET）

PET的依据是一些放射性同位素标记的分子（如含18F的脱氧葡萄糖FDG）能正常地参加脑细胞的新陈代谢。这些同位素发射正电子，正电子不稳定，易与负电子撞击而湮灭，所生能量以双向γ射线方式释放。测量这两束γ射线的量，即可知该标记同位素分子的含量，从而作为该部位功能活动是否增强的标记。PET主要是反映脑内的生化代谢以及生理功能的变化，能进行动态的定量观测，具有其他脑成像技术难以取代的优点。其缺陷是需要注射放射性同位素，但基本上无创伤性，另外PET的测量时间也较长。PET可用于细胞活性与功能的研究、肿瘤的早期诊断以及神经、精神疾病和脑功能的研究[17-18]。

3. 光成像（optical imaging，OI）

光成像的依据是，神经元活动会引起某些有关物质（如水、离子）的改变，导致其光学特性发生变化，在与外加的某些特定波长的光量子相互作用后就得到了相应的光信号。通过成像仪器系统探测到此光信号在某一时间间隔内的空间分布，形成影像。光学成像具有比fMRI更高的空间和时间分辨率，可以更小的体素来测量总脱氧血红蛋白、总血红蛋白和血容量的改变。光学成像有多种，其中近红外光学成像技术（near infrared spectroscopy， NIRS）和光学相干断层成像技术（optical coherence tomograph，OCT）发展迅速，它们均能提供观察脑皮质功能柱的高分辨图像。NIRS可穿过颅骨，已用于动物和儿童的无创性脑功能研究[19]。

4. 事件相关电位（event related brain potentials，ERP）

事件相关脑电位是伴随感觉、运动或认知事件所诱发的大脑电位集合的总称。从电生理角度看，ERP是以作业某种事件的时间为基础，将其前后一定时间段的脑电（EEG）进行多次累加平均而得出的一系列脑电位活动。从心理角度看，ERP是一种有心理因素参与的长潜时内源性诱发电位。其着重检测人类的认知功能和大脑的关系问题，或从电生理角度探讨大脑思维行进的轨迹。

ERP是刺激事件引起的实时脑电波，在时间精度上可达到微秒级。极高的时间分辨率是ERP的主要优势，ERP也可以和行为数据，特别是反应时（RT）很好地配合，以研究认知加工过程的规律。所以，ERP目前是心理学工作者进行认知神经科学研究的最得力的方法。ERP的主要弱点在于低的空间分辨率。另外，ERP只能采用数学推导来实现脑电的源定位，比如偶极子，这种方法的可靠性也是有限的[20]。

5. 脑磁图（magnetoencephalography，MEG）

根据电磁感应的原理，大脑工作时产生的感应电流能够在头颅外表产生感应磁场。脑磁图（MEG）装置便是通过捕捉这种极微弱的磁信号（相对应于地磁场的百万分之一）来反映大脑内部的神经活动。

脑电图（EEG）只能反映脑表面的生物电活动，而MEG则可反映大脑深部电向量的位置和活动方向，是无数脑电向量的综合。因此，相比于EEG，MEG突出的优点是对神经兴奋源的定位更为直接和准确，而且时间分辨率也可与脑电相媲美。不过，脑磁图的总造价很高，数百万美元的成本极大地限制了它的普及。同时，它只对某些流向（如垂直于颅骨）的兴奋源敏感，而对另一些流向的兴奋源则可能无法探测到[21]。

综上所述，fMRI，OCT/NIRS所显示的主要是解剖学信息，即结构图像，PET所显示的主要是功能和代谢成像，都具有较高的空间分辨率；而ERP，MEG等所显示的主要是生理功能成像，具有较高的时间分辨率。综合利用这几种研究技术观察认知活动中脑功能的时空动态变化规律，已成为心理学研究的趋势。

6. 经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）

TMS技术是根据电磁感应原理，将电流通过一个靠近头皮的线圈，经电磁转换后，线圈的周围产生一个与线圈中电流方向相互垂直的磁场。该感应磁场能穿过头皮、颅骨进入大脑，并在大脑皮层产生感应电场。继而对大脑的生物电活动产生干扰或调节。这一技术最大的优势在于能够通过对大脑活动进行短暂干扰，从而建立“虚拟的脑损伤”条件来帮助研究者考察大脑功能与行为反应之间的因果联系。

TMS的一个重要应用领域是认知神经科学研究。例如，通过TMS干预运动控制区域发现个体的运动控制能力受到抑制。同样，通过TMS干预前额叶皮质后，发现个体的决策能力受到影响。这样一些结果对于建立新的认知神经科学理论具有重要价值。TMS在临床研究中也具有不可替代的价值。例如对成瘾者的研究表明，TMS刺激能够增强多巴胺系统的GABA受体释放，从而恢复已被破坏的多巴胺系统的调节功能。2008年10月，美国FDA认证通过了TMS用于治疗药物抵抗型抑郁症，有效率约为80%。近几年，用TMS治疗干预成瘾的研究日渐增多，TMS有望在不久的将来成为一种潜力巨大的、独特的精神障碍治疗手段。

（三）生物电技术

生物电技术记录的肌电、心率、皮温等指标既不属于认知心理实验范式所使用的反应时、正确率等行为指标范畴，又不属于认知神经科学范式所采用的脑电、脑区为典型代表的生理指标范畴，尽管生物电技术也记录脑电，但此脑电指标与认知神经科学范式下的脑电指标属于不同的数量级，不宜相提并论，因此，我们把生理多导仪和生物反馈仪为代表的生物电技术单独归为一类。

生物电技术是利用相关的电子仪器设备记录我们身体内部的生理过程、生物电活动等信息信号并加以放大，放大后的机体电活动信息以视觉（如仪表读数，图像）或听觉（加蜂鸣音，音乐）形式呈现出来，通过这些客观信息指标来探索和研究人的心理现象和活动规律。这些肌体电活动的信息主要包括有如下种类：脑电、肌电、心率、血压、皮肤电、皮温、眼电等。记录这些信号的电子设备主要有生物反馈仪和生理多导仪两种。

生物反馈是运用学习来自我调节自主神经系统以促进健康的一个治疗手段。通过生物反馈仪主体能够了解自身的机体状态，并学会在一定程度上随意地控制和矫正不正常的生理变化。生物反馈仪可以反馈给人的信息包括肌肉的紧张度、皮肤表面的温度、脑电波活动、皮肤导电量、血压和心率等。生物反馈仪主要应用在如下几个方面：（1）心理诊断。通过使用这些指标，可以对心理迟钝、学习困难等心理问题进行诊断。（2）心理治疗。通过这个仪器的配合，可以对身心疾病以及有关的心理问题进行治疗。（3）心理训练。使用该仪器，可以对身心疾病、自卑等心理问题进行训练。生理多导仪是用来记录生理活动的各项指标的医学和心理学实验仪器，能动态记录脑电图、心电图、肌电图、皮肤电、血压、指端容积、心输出量、心电、呼吸、血压、诱发电位、动作电位、神经元活动等信号，在医学诊断与治疗、心理与行为研究中得到了广泛的应用。

四、 未来实验技术的发展趋势

尽管心理学与脑科学结合而产生的认知神经科学，正取代认知心理学成为心理学发展的新阶段[22]，但是我们应该看到，当前认知神经科学技术并不是研究所有心理问题的万能法宝，因为这些技术只能告诉我们某一种意识活动是发生在脑的某一个区域或某一些区域，并不能回答为什么这个或这些脑结构的活动会导致相应心理或行为的发生[15]。此外，这些技术目前所达到的水平也不能满足脑与意识研究的要求。例如，为了能够看到与不同意识过程相关的脑细胞的功能结构，要求这些设备必须达到微米级的空间分辨率；要观察到与知觉、注意、思维、决策等意识活动相关的大脑动态过程，必须将这些技术的时间分辨率提高到毫秒级。纵观上述各种认知神经科学研究技术，能实现高时空分辨率很好结合的设备目前还没有，如，fMRI有较好的空间分辨率，其时间分辨率却低下；脑磁图可以实现毫秒级的时间分辨率，然而其空间分辨率却只有厘米级。这些技术上的缺陷已经成为制约当前脑与意识研究的瓶颈。当然，这些缺陷也正是未来新技术革新和发展的方向。

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