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工作记忆

工作记忆是一种对信息进行暂时加工和贮存的容量有限的记忆系统,在许多复杂的认知活动中起重要作用。1974年,Baddeley和Hitch在模拟短时记忆障碍的实验基础上提出了工作记忆的三系统概念,用“工作记忆”(working memory,WM)替代原来的“短时记忆”(short-term memory, STM)概念。此后,工作记忆和短时记忆有了不同的意义和语境。

工作记忆是认知心理学提出的有关人脑中存贮的信息的活动方式。人作为一种信息加工系统,把接受到的外界信息,经过模式识别加工处理而放入长时记忆。以后,人在进行认知活动时,由于需要,长时记忆中的某些信息被调遣出来, 这些信息便处于活动状态。它们只是暂时使用,用过后再返回长时记忆中。信息处于这种活动的状态,就叫工作记忆。这种记忆易被抹去, 并随时更换。 [1]

-- 中国学前教育百科全书心理发展卷

工作记忆:是指信息暂时存贮及其与其它更为复杂任务的联合运作。

工作记忆指的是一个容量有限的系统,用来暂时保持和存储信息,是知觉、长时记忆和动作之间的接口,因此是思维过程的一个基础支撑结构。(Baddeley,2003)

实际上,工作记忆也是指短时记忆,但它强调短时记忆与当前人从事的工作的联系。由于工作进行的需要,短时记忆的内容不断变化并表现出一定的系统性。短时记忆随时间而形成的一个连续系统也就是工作记忆或叫做活动记忆。

工作记忆其实是一种假设:

某种形式信息的暂时存贮对许多认知技能来说是必须的(如理解、学习和推理等都属于需要信息额暂时存贮即工作记忆的认知技能)认知心理学提出的有关人脑的存贮的信息的活动方式。人作为一种信息加工系统,把接受到的外界信息,经过模式识别加工处理而放入长时记忆。以后,人在进行认知活动时,由于需要长时记忆中的信息处于这种活动的状态,就叫工作记忆。它被认为与通常所说的意识觉察有关,即进入工作记忆中的信息就是人们自身意识中的内容。这种记忆易被抹去,并随时更换。海马损伤后这种记忆会发生困难。

所谓工作记忆,是指人们在完成认知任务的过程中将信息暂时储存的系统。工作记忆可以被理解为一个临时的心理“工作平台”,在这个工作平台上,人们对信息进行操作处理和组装,以帮助我们理解语言、进行决策以及解决问题。可以将工作记忆理解为对必要成分的短时的、特殊的聚焦。

工作记忆(working memory,WM)是指在执行认知任务过程中,用于信息的暂时储存与加工的资源有限的系统[1]。WM被形容为人类的认知中枢,是当前认知心理学和认知神经科学中最活跃的研究领域之一。由于WM在人类高级认知活动中的突出重要性,Goldman-Rakic把它评价为“也许是人类心理进化中最重要的成就”[2]。目前针对WM的机制,国际上已经提出十几个有影响的理论模型,其中最著名的是Baddeley的多成分模型[3]。该模型认为WM由语音回路、视觉空间模板和中央执行系统组成。语音回路负责以声音为基础的信息储存与控制,视觉空间模板主要负责储存和加工视觉信息,中央执行系统是WM的核心,负责各子系统之间以及它们与长时记忆的联系、注意资源的协调和策略的选择与计划等。围绕该模型的验证和完善的研究一直是WM研究的核心领域。

Baddeley提出的工作记忆包括三个部分:

包括注意控制系统中枢执行系统,以及为其服务的两个子系统“负责视觉材料暂时存贮和处理的视空初步加工系统” 和 “负责口语材料暂时存贮和处理的语音回路”

1,基于语音的语音环。主要用于记住词的顺序,保持信息。

2,视空图像处理器。主要用于加工视觉和空间信息。

3,类似于注意的中枢系统。主要用于分配注意资源,控制加工过程,这是工作记忆的关键成分。

然而,在对工作记忆的研究过程中,某些实验研究并不能用Baddeley的三系统概念进行解释。如,在实验中被试只能记住5个左右的不相关的单词,而却可以记住16个左右有共通之处的单词。在对原有工作记忆模型进行修改的基础上,Baddeley提出了情景缓冲器概念,作为对三系统概念缺陷的补充。这是一种用于保存不同信息加工结果的次级记忆系统,在中枢执行系统的控制之下保持加工后的信息,支持后续的加工操作。

WM的研究方法涵盖了认知心理学认知神经科学的各主要研究技术。其中事件相关电位(event-related potentials,ERPs)就是近年来在该领域应用日益增多的技术。该技术的突出特点是能以精确到毫秒级的时间分辨率对特定认知事件引发的脑电位进行实时性测量。该技术还能在不需要被试做外显行为反应的情况下检测到内部心理过程的变化。这些优势使ERP技术能对信息加工过程的不同阶段进行明确的区分,而这种区分对建立科学的认知模型无疑具有重要价值。不过由于ERP指标对自变量和无关变量都比较敏感,因此以往主要被用于注意和感知觉等相对简单的认知机制的研究。直到近些年随着WM实验范式得到不断创新,ERP才越来越多地被用于WM核心领域的研究,取得了不少重要的成果。

工作记忆的P300效应

P300是指ERP晚成分中的第三个正波,由于最早发现的P3在刺激呈现后约300毫秒出现,所以叫做P300,现在P300已成为含有多种子成分的家族。许多研究表明P300与WM存在密切的关系。Donchin等考察了典型的WM任务中的ERP效应,发现可以把P300的波幅变化视为WM中情境更新的指标,WM任务复杂性越高,P300波幅越大。他们还发现P300的潜伏期受知觉复杂性和任务难度的影响,可视为刺激评估和分类时间的指标。Polich等也发现,在需要较多加工资源的任务中,如快速实现资源分配和信息保持的任务中,P300的潜伏期与认知能力之间呈现出稳定的关系。不过有关P300潜伏期的意义,也出现了一些不同的实验结果,如复杂任务中的ERP研究表明,P300的波幅与认知能力之间存在密切联系,而P300的潜伏期与认知操作和认知能力却没有关系。在一项五选一的反应时任务中,WM阅读广度高的被试产生了波幅更大的P300;在一个n-back任务中,随着WM负载增大,P300的波幅下降,且波幅与被试的韦氏智力测验成绩呈正相关[4]。而在这两种任务中P300的潜伏期均与认知能力无关。此外,还有一些研究发现P300的潜伏期与认知能力呈负相关,而P300的波幅与认知能力呈正相关。

工作记忆的N400效应。

N400是指峰潜伏期为400ms的负波,也是一个ERP家族的总115称。典型的N400是人脑语言认知加工中最常见的ERP成分,通常在被试阅读词尾为歧义词的句子时出现。不过N400的实质仍存在争议。如它反映的仅仅是语言本身的性质,还是一般意义上的语义加工?是仅仅与语言相关的问题,还是与其他的中介因素有关?这些问题一直未得到很好的回答。

Gunter等在考察N400与高WM负载条件下的阅读理解成绩的关系时,发现N400很可能是WM容量和灵活性的直接指标,而与阅读理解本身无关。该研究结果具有很大的颠覆性,对长期以来有关N400与阅读理解的密切关系提出了挑战。那么这种发现是否可靠呢?如果是可靠的话,那么N400与阅读理解和WM之间到底是一种什么关系呢?

Salisbury最近通过考察N400与语义记忆测验、言语WM容量的关系,在上述问题的研究上取得了重要突破。该研究采用低WM负载条件下的同形异义词歧义消解任务。实验材料采用系表结构或主谓结构的短句:如“名词是形容词”或“名词+不及物动词”。名词分为同形异义词和词义明确词两种;形容词或动词是对同形异义词具有消解作用的词,与词义明确词存在一致和不一致两种情况。同形异义词从属含义的理解与语义记忆储存和知识量有关。如果N400反映了词汇通达,那么也应该与语义知识有关,因为这主要与晶体记忆有关,由大脑皮层的颞-顶回路负责;如果N400反映了词汇的整合,那么它应该与WM容量有关,因为这主要与液体记忆有关,由大脑皮层的前额叶负责;如果N400仅仅反映了WM的机制和容量,那么不但高WM容量组的被试在N400的波幅应该显著大于低WM容量组被试,而且还应该与理解错误率和语义储存无关。结果发现,N400与WM容量有关,而和语义知识无关,说明它主要反映了WM的一种晚期加工。WM容量越大,歧义消解词引发N400也越大。实验结果支持了第三种假设,因此N400是WM容量大小的一个指标,而不是通常所认为那样是情境整合难度的指标。该研究有力地支持了Gunter等的发现,为N400实质的研究取得了突破性进展,同时为今后的WM研究提供了一个重要指标。

工作记忆的CNV效应

CNV(contingent negative variation)通常指在预备信号和命令信号之间观察到的脑电的负向偏转,是最早发现的纯心理波之一。一般认为CNV的心理性质是在完成同一种任务时由期待、朝向反应、觉醒、注意和动机等多种心理因素综合构成的心理负荷加重。

Casini等发现,当要求被试在WM中编码或者生成有关时间长短的信息时,头皮上可记录到一种负慢波。他们发现这种负慢波就是CNV,其波幅随着所需注意资源的增加而发生变化。Casini等还发现前额叶的CNV水平与时间信息加工之间存在密切关系。Monfort等最近进一步考察了ERP与时间信息在WM中的保持过程的关系。在实验中他们记录了时间信息编码和保存过程中的ERP,并考察了WM负载对这些ERP成分的影响。负载通过记忆时间段的数量和对时间信息的加工程度进行控制。结果发现,编码期间出现了典型的CNV效应。不同资源需求条件下CNV的波幅差异不显著。在保持期间,额区多个电极位置的慢波出现了明显的正向偏移,而顶枕区的慢波出现了负向偏移。额叶正慢波的幅度存在任务差异,资源需求较大的任务幅度更大。因此,该研究揭示了在时间信息的保存过程中,会出现一种正走向的ERP慢波,而且这种ERP成分的波幅与WM任务的资源需求有关。 [2]

ERP与视觉工作记忆研究

ERP在视觉WM研究中的典型应用是对视觉空间、视觉客体和言语WM的电生理机制的区分。如前所述,Baddeley的三成分模型把WM分成视觉空间WM和言语WM两个附属系统。视觉空间系统可能又可以分成视觉客体WM和空间WM。ERP技术为这两种视觉系统内WM的区分以及它们与言语WM的区分提供了有力证据。

ERP与言语工作记忆研究

ERP技术在言语WM研究中的应用一方面体现在其特异性成分的探讨上,如上文提及的Ruchkin等的研究;另一方面集中在言语WM的结构和机制方面的研究上。这里侧重介绍第二方面的研究。近年来有研究者提出言语WM也可以像视觉WM一样可以进一步区分。如Caplan等指出,言语WM可分为解释性WM(interpretative working memory)和后解释性WM(post-interpretative working memory)[11]。前者负责言语模块化的自动加工,如句法的加工;后者负责言语中枢性的控制性加工,如对外部世界知识的探索。Caplan等通过PET技术为其言语WM的双重结构提供了证据。 综上所述,ERP技术在WM这一高级认知功能的研究中已经得到比较广泛和深入的应用。ERP已经被应用到WM领域很多关键问题的研究上,并已取得显著成果。这些研究为WM的内部过程提供了精确的时程信息,使研究者可以了解到不同类型的WM编码、保存、更新和中央执行控制的起止时间和在脑区的大致分布,为WM理论模型的发展和完善提供了重要数据。不过当前WM的ERP研究还存在一些不足。一些ERP成分的WM内涵还不是很明确,不同研究结果之间的分歧比较大,有些问题的研究还不够系统等。

ERP与中央执行系统研究

中央执行系统(central executive, CE)是WM模型研究中最重要但研究难度最大的领域。目前这方面的研究主要集中在CE更新功能和注意转移功能的ERP效应上。

Donchin等指出,人类ERP中的P300成分是由WM内容的更新引起的,这是最早有关ERP和CE关系的研究。Donchin的这种情境更新假说后来得到了很多ERP研究的支持。Fabiani等发现,言语刺激呈现时引发的P300波幅与回忆成绩相关显著。但这种相关只有在被试使用机械记忆的方法时显著,当被试使用了精加工策略等记忆策略时则相关不显著。由于用机械记忆时,被试需要用目标项目的表征去更新WM的内容;而精加工策略涉及到其他的加工过程,回忆的成功与否主要决定于策略的有效性,而不是目标刺激的突显性,从而消除了记忆更新对目标刺激属性的影响,导致观察不到P300与回忆之间的关系消失。因此该研究为P300与WM的更新的关系提供了支持。

然而,上述研究存在明显的不足,因为它们所用的任务都不是典型的WM任务,而多是Sternberg的短时记忆扫描任务,而且有关记忆更新与P300的关系都是通过间接推导得到的。为此,Kiss等以Baddeley的模型为理论背景,通过引入精巧的实验任务,直接考察了CE更新功能的ERP效应。该研究设置了与更新任务匹配的控制任务,在更新任务中,要求被试动态地更新WM储存的内容;而对应的控制任务则不要求被试保存不断变化的记忆刺激,但二者的刺激序列和反应模式完全相同。通过把更新任务中的ERP与控制任务中ERP的相减,可得到专门与WM更新有关的ERP模式。如在一个具体的实验中,给被试依次呈现单个数字,刺激序列长度在2到5之间随机变化,每个序列之后呈现一对数字,作为记忆目标。在更新条件下,这些数字对有一半与刚呈现过程的序列中的最后两个数字顺序和内容完全匹配,另一半不匹配,要求被试在发现匹配时按鼠标右键,对所有单个数字和不匹配的数字对按鼠标左键。在控制条件下,有一半的刺激对相当于更新条件下的非匹配刺激,另一半为两个“*”号,要求被试对所有单个数字和“*”对按鼠标左键,对数字对按鼠标右键。在更新条件下被试需要在WM中对每个项目进行编码、储存并做上系列标记。当序列项目超出需要记忆的项目时,被试还需要对记忆内容进行动态更新。结果发现,这种更新过程引发了一个较宽的正走向的ERP差异波,如图1所示。虽然更新条件和控制条件都涉及编码、储存和系列标记等WM过程,但是在差异波中这些因素的ERP效应已经被减掉。所以图1中所示的正走向差异波就是一种与WM更新这一特定加工相对应的ERP成分。该研究开创性地直接揭示了与WM的中央执行功能相关的ERP效应。

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