食堂大媽到底能不能準確打出二兩飯？這類問題心理學家想了快兩百年

如果你要問食堂大媽如何判斷這一勺飯是二兩還是三兩，她們多半會回答「憑感覺」。人的感覺真的如此隨機嗎？

同學，你要幾兩飯？圖片來源：Pixabay

編譯 三水

編輯 戚譯引

在許多學生看來，食堂大媽就像隨機數生成器——同樣打二兩飯，大媽具體給多少全看心情。但是人一旦認真起來，「憑感覺」判斷也能非常準確。有的家庭主婦一掂就知道商販有沒有缺斤少兩，優秀的廚師也能嘗出菜里是不是多放了一點點鹽。

是什麼因素決定了我們感知世界的「解析度」？換言之，我們能夠在多大程度上準確區分兩個刺激之間的差異？這個過程又是如何進行的？大約 200 年前，科學家開始定量研究這個問題，並發現了其中的規律。但是直到最近，我們才剛剛開始認識背後的具體機制。

測量感知

幾個世紀以來，人們一直認為精神世界與物理世界是完全不同的。儘管無生命物體的運動可以通過數學手段來測量，最終能夠預測；但是生命體的運動，或者說生命體的行為，長期被認為是在意志的控制下由不同於非生命體的力量驅動的，無法用同樣的方式進行預測。

直到 1834 年，德國醫生恩斯特·海因里希·韋伯（Ernst Heinrich Weber）做了一個操作簡單卻構思巧妙的實驗，徹底改變了這一局面。韋伯要求被試報告在兩個重量差異較小的物體中，他們認為哪一個物體更重。在這些實驗中，他發現個體做出正確選擇的概率只取決於重量間的比率。

恩斯特·海因里希·韋伯。韋伯有 11 個弟弟妹妹，物理學出身的朋友們一定知道其中一位——威廉·愛德華·韋伯（Wilhelm Eduard Weber），磁通量單位就以他命名。圖片來源：Wikipedia

例如，如果一個個體在比較 1 千克（kg）和 1.1 kg 的重量時正確率為 75%，那麼該個體在比較 2 kg 和 2.2 kg 的重量時，正確率也為 75%。或者說，當一個物體的重量是另一個物體重量的 1.1 倍時，該個體的正確識別率為 75%。

這個簡單而明確的規則打開了用數學定律量化人類行為的大門，進而被應用於許多物種的所有感覺模式，這就是眾所周知的韋伯定律（Weber"s Law）。後來韋伯的學生古斯塔夫·費希納（Gustav Fechner）對這一規律進行了數學描述，因此它也被叫做韋伯-費希納定律。

韋伯和費希納的研究為心理物理學（psychophysics）的誕生打下了堅實的基礎。這一學科將物理刺激和該刺激在個體的頭腦中引發的心理感覺聯繫起來，描述了明確的感知規則，並且可以對人類由大腦過程式控制制的行為作出數學解釋。

解碼韋伯定律

然而，開創心理物理學的韋伯定律很快也變成了這個學科中的一個大問題。多年來，研究者們提出了幾十個模型，試圖解釋韋伯定律。雖然它們都可以解釋韋伯實驗的結果，但沒有任何實驗能夠進行驗證，找出正確的模型。

例如，一個非常有影響力的模型就是信號檢測理論（Signal Detection Theory）。信號檢測理論認為，人對信號的檢測不僅依賴於自身的感受能力，而且依賴於自身所設定的反應標準。在兩個人的聽覺感受性完全相同的情況下，如果一個人期待著某種聲音信號的出現，那他可能會做出較多「信號出現」的判斷。

然而理論終歸是理論，這個領域有許多這樣的理論正等待實驗的檢驗。為什麼找出正確的模型如此困難？最近的一項研究發現，學界此前可能忽略了一個關鍵的變數，那就是決策時間。

被遺忘的時間

一個來自葡萄牙尚帕利莫未知技術研究中心（Champalimaud Centre for the Unknown）的研究團隊發現，韋伯定律可以被描述為一個新的心理物理學規則，它不僅涉及選擇的結果，還涉及做出選擇所需的時間。該研究團隊已經證明，這個新規則足以推導出一個獨特而精確的數學模型，來描述韋伯定律中的認知過程。他們的研究結果發表在科學期刊《自然-神經科學》（Nature Neuroscience）期刊上。

在這項新的研究中，Alfonso Renart 和他的團隊訓練大鼠區分兩種強度略有不同的聲音。他們製造了一種專門用於大鼠頭部的微型耳機，可以同時向大鼠的兩隻耳朵傳送聲音。

在每一次傳送到大鼠兩隻耳朵中的聲音中，一邊的聲音強度會稍微大於另一邊，大鼠的任務是通過轉向對應的一側來報告哪邊聲音更大。文章的共同作者之一 José Pardo-Vazquez 解釋說：「這種行為對大鼠來說是很自然的，因為它們像我們一樣，會把頭轉向聲音的來源。」大鼠有足夠的時間來聽聲音，以便做出選擇。因此，每一次實驗嘗試都得到了一個選擇和一個決策時間。

圖片來源：Pixabay

「我們的實驗證明，動物的行為符合韋伯定律，」Pardo-Vazquez 說，「它們分辨兩種聲音中哪一種聲音更大的能力僅僅取決於聲音強度的比率。只要兩組聲音的強度比率相同，大鼠比較兩種輕聲播放的聲音強度的準確性與它比較兩種大聲播放的聲音強度的準確性一樣好。 」這些結論和先前的研究是一致的。

然後，研究團隊開始詳細分析大鼠需要多長時間來做出決策，後來他們才意識到這是至關重要的一步。他們發現，決策時間和兩種聲音的強度是相互關聯的——聲音越大，做決策的時間就越短。例如，在兩個聲音的相對強度恆定的情況下，區分兩種強度較小的聲音所用的時間更長，區分兩種強度較大的聲音所用的時間更短，決策時間和音量成反比。

「一般情況下，人們對韋伯定律的研究集中在區分結果的準確性上，這也是韋伯本人所描述的，」Pardo-Vazquez 解釋道，「令人驚訝的是，決策所需的時間很少受到關注。」或許生活中也是如此——和等待時間相比，大家普遍還是更關心食堂大媽盛的飯份量夠不夠。

重塑韋伯定律

事實上，該研究團隊已經發現了一個新的心理物理學定律，他們稱之為「時間強度等效鑒別」（Time-Intensity Equivalence in Discrimination ，TIED），因為它將一對聲音的強度和區分它們所需的時間聯繫起來。它比韋伯定律更嚴格，因為它不僅與區分的準確性有關，還與所需的時間有關。

「實驗中決策時間之間關係的明確性令人驚訝，」Pardo-Vazquez 說，「動物的行為可以用明確的數學規則進行描述，這是非同凡響的。」

解釋韋伯定律的關鍵是時間。圖片來源：Diogo Matias，尚帕利莫基金會

為了研究 TIED 是否適用於不同的情境，該研究團隊招募人類被試進行了同樣的實驗，並得到了類似的結果。他們還分析了其他研究者的實驗，在這些實驗中，大鼠對混合氣味進行嗅覺辨別，結果也是相同的。Pardo-Vazquez 總結說：「現在下結論說 TIED 具有韋伯定律那樣的普適性還為時尚早，但是我們在兩個物種和兩種感官模式中獲得了相同的結果，這是令人鼓舞的第一步。」

如果 TIED 的普適性得到驗證，這或許能最終幫助學界找出正確的模型。研究團隊的分析表明，為了符合 TIED 的規律，解釋韋伯定律的數學模型需要滿足一系列嚴格的條件。例如，心理學家 Stephen Link 在 80 年代末提出的一個模型已經接近正確答案，但是它忽略了一個重要的條件，即感官刺激的強度是如何被感覺神經元編碼的。

著名的信號檢測理論也面臨出局的風險。研究共同作者之一的 Juan Casti?eiras 指出：「在神經科學領域，很少有人能夠通過數學解釋來排除相互競爭的理論，因為研究者們總是有可能對一個模型稍做修改，使其與實驗數據兼容。我們發現，心理物理學中一個非常有影響力的理論（信號檢測理論）沒有對決策時間進行建模，因此無法描述 TIED。它無法對韋伯定律的本質作出解釋。」

Renart 說：「儘管這種情況出現的頻率較低，但是生物學和行為學研究也像物理學一樣，精確的實驗結果可以得到明確的解釋，進而解決以前的模稜兩可之處，從而取得進步。」

接下來，研究團隊計劃探索他們發現的數學規律如何在大腦中體現。Renart 總結說：「我們想要確定哪些大腦區域在我們的任務中起到重要作用，以及這些迴路中的神經元如何對模型中的不同元素執行計算。」

韋伯定律是心理物理學中最古老、最根本的定律，在誕生近 200 年後得到了全新的詮釋，為連接行為學和神經科學邁出了重要的一小步。

參考來源

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