工作記憶:人類高級認知活動的核心

趙 鑫,周仁來,3(1.北京師范大學(xué)認知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點實驗室,北京 100875; 2.北京師范大學(xué)應(yīng)用實驗心理北京市重點實驗室,北京 100875; 3.東南大學(xué)兒童發(fā)展和學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點實驗室,南京 210096)

工作記憶:人類高級認知活動的核心

趙 鑫1,2,周仁來1,2,3
(1.北京師范大學(xué)認知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點實驗室,北京 100875; 2.北京師范大學(xué)應(yīng)用實驗心理北京市重點實驗室,北京 100875; 3.東南大學(xué)兒童發(fā)展和學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點實驗室,南京 210096)

工作記憶是個體在執(zhí)行認知任務(wù)過程中,對信息暫時保持與操作的能力。近年來的諸多研究指出,工作記憶在人類智力、學(xué)習(xí)、推理、創(chuàng)造力等高級認知活動中起重要的作用。潛變量分析揭示了工作記憶的中央執(zhí)行系統(tǒng)與高級認知活動之間存在著密切關(guān)系;而腦成像研究顯示,工作記憶與高級認知活動的共享腦機制可能是兩者關(guān)系緊密的主要原因;通過對個體工作記憶能力的訓(xùn)練,提升其閱讀能力、智力水平等高級認知能力的干預(yù)研究,則進一步證明了工作記憶在人類高級認知活動中的核心影響。

工作記憶;認知活動;潛變量分析;腦成像研究;訓(xùn)練

一、引言

工作記憶(working memory)是指個體在執(zhí)行認知任務(wù)中,對信息暫時保持與操作的能力(Goldman-Rakie,1992;Wickelgren,1997;Baddeley, 1992,2003,2008,2010)。1960年,M iller等人在他們的著作《行為的計劃與結(jié)構(gòu)》一書中首次提出了工作記憶的概念,此后,工作記憶一直被用于動物和計算機模擬研究(M iller,Galanter,&Pribram,1960);1968年,A tkinson和Shiffrin在心理學(xué)的研究中開始使用工作記憶這個概念,并將它等同于短時記憶(A tkinson&Shiffrin,1968);直到1974年,Baddeley等人在批判短時記憶的基礎(chǔ)上,將工作記憶的概念引入認知心理學(xué)的研究(Baddeley,1974)。

Baddeley關(guān)于工作記憶的概念一經(jīng)提出,便受到心理學(xué)家的廣泛關(guān)注,研究者紛紛提出相關(guān)的工作記憶理論模型(Baddeley,1992,2003,2008, 2010;Unsworth&Engle,2008;Unsworth, Redick,Heitz,Broadway,&Engle,2009;Cow an, 2009;Schraw&Ericsson,2005;Reynolds&O’Reilly,2009),而在眾多工作記憶模型中,Baddeley的多成分模型被認為是相對完善和成熟的。Baddeley早期的研究認為,工作記憶包括語音回路(phonological loop)、視空間模板(visuo spatial sketchpad)和中央執(zhí)行系統(tǒng)(central executive)三個部分。其中,語音回路主要負責以聲音為基礎(chǔ)的信息的存貯;視-空間模板主要負責視-空材料信息的存貯;中央執(zhí)行系統(tǒng)主要負責工作記憶中的控制性加工,其功能主要包括工作記憶中各子系統(tǒng)功能的協(xié)調(diào)、對編碼和提取策略的控制、操縱注意管理系統(tǒng)以及從長時記憶中提取信息(Baddeley, 1992,2003)。之后,Engle等人在Baddeley的基礎(chǔ)之上提出,語音回路和視-空間模板相當于言語信息和視覺空間信息的短時記憶系統(tǒng),即工作記憶相當于由短時記憶和中央執(zhí)行功能兩部分構(gòu)成(Un-sworth&Engle,2008;Unsworth,Redick,Heitz, B roadw ay,&Engle,2009)。在以往的研究中,研究者一般采用操作廣度(operation span)、閱讀廣度(reading span)、計數(shù)廣度(counting span)、nback等任務(wù)來測量工作記憶;回憶任務(wù)(forward span)和反向回憶任務(wù)(backward span)常被用來測量短時記憶;中央執(zhí)行功能一般采用威斯康辛圖片分類測驗(w isconsin card sorting test)、漢諾塔任務(wù)(tow er of hanoi)、隨機生成任務(wù)(random number generation)和活動記憶任務(wù)(lettermemory task)來測量(Kyllonen&Christal,1990;Engle,Tuholski,Laughlin,&Conw ay,1999;Conway,Cowan,Bunting,Therriault,&M inkoff,2002; Conway,Kane,&Engle,2003;M iyake,Friedman, Emerson,Witzki,&Howerter,2000)。

大量的研究表明:工作記憶在個體的認知行為中起了不可替代的作用,是個體在復(fù)雜認知行為中表現(xiàn)差異的重要的甚至是核心的因素。工作記憶在高級認知活動中具有雙重的作用:首先,工作記憶負責獲取當前的信息,與長時記憶中的信息相聯(lián)系;其次,工作記憶暫時保存重要的信息,從而獲得對任務(wù)的整體理解(Baddeley,1992,2003,2008, 2010;Barrouillet,M ignon,&Theveno t,2008; Caggiano,Jiang,&Parasuraman,2006;Engle, 2010;郭春彥,2007)。近年來,研究者采用不同的研究方法,從不同的角度出發(fā)相繼證明了工作記憶與人類智力、學(xué)習(xí)、推理、創(chuàng)造力等高級認知活動之間存在密切的關(guān)系。本文將對近年來工作記憶與高級認知活動關(guān)系的研究進行介紹和梳理,期望對于進一步探清工作記憶與人類高級認知活動的關(guān)系以及人類高級認知活動的內(nèi)在機制提供一定的幫助。

二、工作記憶與人類高級認知活動

自從Baddeley工作記憶概念提出之后,研究者們根據(jù)工作記憶的概念,設(shè)計相應(yīng)的工作記憶任務(wù)來考察工作記憶與高級認知活動的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),工作記憶與智力、推理、學(xué)習(xí)、創(chuàng)造力等高級認知活動之間存在著一定程度的相關(guān)(Jurden, 1995;Siegel&Ryan,1989;Just&Carpenter, 1992;Fry&Hale,1996;M cLean&Hitch,1999; Gathercole,Pickering,Knight,&Stegmann, 2004;Tsaparlis,2005;Smedt,Janssen,Bouwens, Verschaffel,Boets,&Ghesquière,2009;劉彤冉,施建農(nóng),2007;李植霖,2007;王淑珍,栗洪武,2006;王恩國,趙國祥,劉昌,呂勇,沈德立,2008;劉昌, 2004)。

雖然研究者們已證明了工作記憶與高級認知活動之間的密切關(guān)系,但是,工作記憶中的什么成分與人類高級認知活動的關(guān)系最密切?工作記憶為什么與高級認知活動之間存在高相關(guān),其內(nèi)在原因是什么?工作記憶與高級認知活動之間的共變關(guān)系被證實,那又如何揭示二者之間的因果關(guān)系?近年來,研究者通過采用潛變量分析研究、腦成像研究、以及工作記憶訓(xùn)練研究相繼證明了工作記憶在人類高級認知活動中的重要作用。

(一)潛變量分析研究

我們看到,在相關(guān)研究中,研究者們證明了工作記憶與人類高級認知活動之間存在一定程度的相關(guān),但是,工作記憶作為一種重要的認知功能,具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu),工作記憶中的什么成分與人類高級認知活動的關(guān)系最密切,對高級認知活動的預(yù)測作用最高呢?要回答這個問題,僅靠簡單的相關(guān)研究是遠遠不夠的,于是研究者采用了潛變量分析方法對工作記憶與高級認知活動之間的關(guān)系進行了更深一步的探討。

采用潛變量分析方法探討工作記憶與高級認知活動之間的關(guān)系主要是基于以下兩種原因:首先,潛變量分析可以測量工作記憶各成分之間的結(jié)構(gòu),又可以測量工作記憶各成分與高級認知活動之間的關(guān)系;其次,潛變量分析可以使內(nèi)在的認知結(jié)構(gòu)外顯化,并考慮了測量誤差,使后續(xù)的分析和研究在更純的潛變量水平上進行。通過潛變量研究發(fā)現(xiàn),工作記憶與高級認知活動之間存在密切關(guān)系,主要是由于中央執(zhí)行系統(tǒng)在起作用(Kyllonen &Christal,1990;Engle,Tuholski,Laughlin,& Conway,1999;Conway,Cowan,Bunting,Therriault,&M inkoff,2002;Conway,Kane,&Engle, 2003;Owen,M cM illan,Laird,&Bullmo re,2005)。

Kyllonen等人(1990)被認為是最早采用潛變量分析對工作記憶與智力之間的關(guān)系進行研究。Kyllonen的研究結(jié)果顯示,工作記憶與智力之間存在高相關(guān)。但是,在他的研究中并沒有體現(xiàn)出潛變量分析的優(yōu)勢,工作記憶的各成分之間的關(guān)系,以及不同成分對智力的影響,這些問題都沒有很好的回答(Conw ay,Kane,&Engle,2003)。Engle等人(1999)在Kyllonen研究的基礎(chǔ)之上以133名大學(xué)生為被試,采用潛變量分析探討了工作記憶與智力之間的關(guān)系。研究以操作廣度、閱讀廣度和計數(shù)廣度任務(wù)測量工作記憶,并且采用非押韻詞回憶任務(wù)、押韻詞回憶任務(wù)和反向回憶單詞任務(wù)作為短時記憶的測量任務(wù),以瑞文推理測驗成績和卡特爾文化公平測驗成績作為智力的測量指標,潛變量分析結(jié)果顯示,工作記憶對智力存在顯著的預(yù)測作用,而短時記憶與智力之間不存在相關(guān)。由此研究認為工作記憶與智力之間存在密切關(guān)系,主要是工作記憶中的中央執(zhí)行系統(tǒng)在起作用。

之后,Conway等人(2003)同樣采用潛變量分析探討了工作記憶不同成分與智力之間的關(guān)系。研究以閱讀廣度、操作廣度和計數(shù)廣度作為工作記憶的測量任務(wù),以詞語廣度的四種變式測量短時記憶,以字母與圖形字母比較、數(shù)字與字母抄寫和數(shù)字-符號交替任務(wù)測量加工速度,以瑞文推理測驗成績和卡特爾文化公平測驗成績作為智力的測查指標。研究結(jié)果顯示,工作記憶與智力之間關(guān)系密切,而短時記憶、加工速度與智力之間相關(guān)不顯著,研究進一步證明了工作記憶的中央執(zhí)行系統(tǒng)對智力的預(yù)測作用。

潛變量分析方法的引入,進一步推動了工作記憶與高級認知活動之間關(guān)系的研究,研究者對于工作記憶不同成分與高級認知活動之間的關(guān)系有了更加深入的了解。但是,工作記憶為什么與高級認知活動之間存在高相關(guān),其內(nèi)在原因是什么?似乎還是沒有得到很好的回答。

(二)腦成像研究

近年來,隨著認知神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展,腦成像技術(shù)如fMRI,ERP等無損傷測量技術(shù)引入工作記憶的研究領(lǐng)域,使得工作記憶與高級認知活動關(guān)系的研究產(chǎn)生了革命性的變化,研究者從認知神經(jīng)層面為工作記憶與高級認知活動之間的關(guān)系尋找到了更加客觀的證據(jù)。腦成像的研究發(fā)現(xiàn),工作記憶在人類高級認知活動中扮演重要角色,很有可能是由于共享腦機制所造成(Owen,M cM illan,Laird,& Bullmore,2005;Jung&Haier,2007;Goel,Gold, Kapur,&Houle,1997,1998;W harton,Grafman, Flitman,Hansen,Brauner,M arks,&Honda, 2000;梅楊,梁佩鵬,呂勝富,楊延輝,鐘寧,李坤成, 2010;Gray,Chabris,&B raver,2003)。

Ow en等人(2005)總結(jié)了24項關(guān)于工作記憶的腦成像研究,結(jié)果顯示,與工作記憶相關(guān)的腦區(qū)主要涉及:背外側(cè)前額葉皮層(bilateral dorsolateral p refrontal cortex)(BA 9,46)、前額葉腹外中側(cè)(bilateral mid-ventrolateral p refrontal cortex) (BA 45,47)、扣帶回(cingulate)(BA 32,6)以及右側(cè)楔前葉和內(nèi)側(cè)頂小葉(p recuneus and inferio r parietal lobules)(BA 7,40)等。

Jung和Haier(2007)總結(jié)了37項有關(guān)智力的神經(jīng)影像學(xué)研究,研究認為與智力相關(guān)的腦區(qū)主要涉及:背外側(cè)前額葉皮層(BA 6,9,10,45,46,47)、頂上(下)小葉(inferior and superior parietal lobule)(BA 39,40,7)以及前扣帶回(the anterior cingulate)(BA 32)等。

而對歸納推理的腦成像研究表明,歸納推理導(dǎo)致左側(cè)額葉(BA 8,9,10,24,32,37),顳葉(BA 20),枕葉(BA 45,46,47),左頂部(BA 21,22)和左側(cè)扣帶回(BA 24,32)的激活(Goel,Gold,Kapur,& Houle,1997)。Goel等人(1998)進行的一項研究中要求被試完成演繹推理任務(wù),用PET對他們的腦部進行掃描,結(jié)果發(fā)現(xiàn),完成演繹推理時被試左半球中額葉皮質(zhì)(BA 45,46,47)和前扣帶皮質(zhì)(BA 32,24)被激活;另外,研究發(fā)現(xiàn),類比推理任務(wù)則是激活左中額(BA 6,8),額下回(BA 10,44,45, 46,47),前腦和頂下部(BA 40)皮層(Wharton, Grafman,Flitman,Hansen,Brauner,M arks,& Honda,2000);我國學(xué)者梅楊等人(2010)近期的一項研究則發(fā)現(xiàn),與控制任務(wù)相比,歸納推理任務(wù)在前額區(qū)(BA 6,9,11,46,47)、尾狀核、殼核和丘腦等腦區(qū)有顯著激活。

這些研究雖然是從不同的角度出發(fā),對智力、推理等高級認知活動與工作記憶的腦機制進行了總結(jié)和研究,但是,從中我們不難看出,工作記憶與智力、推理等高級認知活動所涉及的腦區(qū)有大量的重合(見表1),這說明工作記憶與認知活動之間的高相關(guān)很有可能是共享腦機制所造成。關(guān)于工作記憶與認知活動各自的腦成像研究,為二者之間的關(guān)系提供了一定的間接證據(jù)。而有研究者直接在研究中探討了二者的關(guān)系,證明了二者在認知神經(jīng)層面上確實存在著聯(lián)系,Gray等人(2003)讓被試進行瑞文推理測試和工作記憶任務(wù),并用fM RI掃描被試在進行工作記憶任務(wù)時的腦活動,研究結(jié)果顯示,被試瑞文推理測試成績和在進行工作記憶任務(wù)時所激活的腦區(qū)之間存在著高相關(guān)。

表1 工作記憶、智力與推理相關(guān)的腦成像研究結(jié)果

(三)工作記憶訓(xùn)練研究

如果說簡單的相關(guān)研究證明了工作記憶與高級認知活動之間存在密切聯(lián)系,潛變量分析研究則是說明了工作記憶的具體成分與高級認知活動之間的關(guān)系,那么,腦成像研究則是回答了二者之間為什么存在高相關(guān)。但是,無論是最初簡單的相關(guān)研究、潛變量分析還是腦成像研究,都是探討了工作記憶與高級認知活動之間的共變關(guān)系,難以揭示二者之間的因果關(guān)系。近年來,研究者在相關(guān)研究的基礎(chǔ)之上,通過工作記憶訓(xùn)練研究進一步證實了工作記憶在高級認知活動之間的核心作用(趙鑫,周仁來,2010)。

Klingberg等人在2002年的一項研究中,采用了一種新的工作記憶訓(xùn)練任務(wù)對多動癥兒童的工作記憶進行了訓(xùn)練,研究者希望通過訓(xùn)練多動癥兒童的工作記憶來提高他們的認知能力,改善他們的臨床癥狀。而研究的結(jié)果卻意外地發(fā)現(xiàn):通過訓(xùn)練工作記憶,兒童的智力水平也得到了提升(Klingberg,Forssberg,&Westerberg,2002)。Klingberg等人在他們的研究中選取了7-15歲的多動癥兒童14名,其中7名多動癥兒童接受了工作記憶訓(xùn)練,另外7名兒童作為控制組沒有接受訓(xùn)練。訓(xùn)練前,所有14名多動癥兒童均接受了瑞文彩色推理測試,測驗結(jié)束后,有7名多動癥兒童接受了四種工作記憶訓(xùn)練任務(wù):視覺空間工作記憶任務(wù)(a visuo-spatial wm task)、數(shù)字廣度任務(wù)(backw ards digit-span)、詞語廣度任務(wù)(letter-span task)、選擇反應(yīng)時任務(wù)(choice reaction time task)。訓(xùn)練采用階梯訓(xùn)練法,即根據(jù)每個兒童在訓(xùn)練任務(wù)中的表現(xiàn)和得分,逐步調(diào)整訓(xùn)練難度。訓(xùn)練每天最少20分鐘,一周4—6天,至少5周。研究結(jié)果顯示:訓(xùn)練顯著提高了兒童的工作記憶能力,而且接受工作記憶訓(xùn)練的多動癥兒童的肌動活動(mo to r activity)顯著減少了。同時,研究者們還發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練提高了兒童智力測試的成績。通過訓(xùn)練兒童的工作記憶來提升他們的智力水平,這個意外的發(fā)現(xiàn)為工作記憶與智力關(guān)系研究提供了一個獨特的視角。

Jaeggi等人在2008年的研究中,采用nback任務(wù)對正常成年人的工作記憶進行了訓(xùn)練,考察了工作記憶訓(xùn)練對智力的影響。Jaeggi等人將34名被試隨機分為四組,分別接受為期8天、12天、17天以及19天的訓(xùn)練,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),與沒有接受訓(xùn)練的控制組相比,訓(xùn)練組的智力水平得到提升。而且,訓(xùn)練的時間越長、智力水平提高越多(Jaeggi,Buschkuehl,Jonides,&Perrig,2008)。

另外一項關(guān)于工作記憶策略訓(xùn)練的研究,探討了不同策略對不同工作記憶能力個體的影響,以及訓(xùn)練前后工作記憶廣度與閱讀能力之間的關(guān)系(Turley-Ames&W hitfield,2003)。研究發(fā)現(xiàn),使用復(fù)述策略對工作記憶進行訓(xùn)練,使得工作記憶廣度提高。而且,在復(fù)述策略訓(xùn)練后,工作記憶廣度與閱讀能力之間的相關(guān)也得到提升。

研究者采用不同的訓(xùn)練方法對個體的工作記憶進行訓(xùn)練的研究發(fā)現(xiàn),通過工作記憶訓(xùn)練,個體的閱讀能力、智力水平等高級認知能力得到提升。工作記憶訓(xùn)練研究為工作記憶與高級認知活動之間關(guān)系的研究提供了新的視角,同時也有力地證明了工作記憶在高級人類認知活動中的核心作用。

三、研究展望

(一)完善內(nèi)部效度

從相關(guān)研究到實驗研究,工作記憶在高級人類認知中的核心作用已被越來越多的研究者所證實。但是,為什么工作記憶在高級人類認知中有如此重要的作用?是“同功同構(gòu)”?是測量任務(wù)上的重疊?是共享腦機制?還是研究者本來就夸大了工作記憶的作用?要回答這些問題,最重要的就是要完善工作記憶的測量任務(wù),提高測量任務(wù)的信效度,這對于探清工作記憶的內(nèi)在機制以及與復(fù)雜認知活動的關(guān)系,提高研究的內(nèi)部效度具有重要的作用。

(二)提高外推效度

長期以來,人們常常批評心理學(xué)的研究者從事經(jīng)院式的研究事業(yè),研究者出于研究上的便利,設(shè)計一些測查某種心理功能的任務(wù),來“尋找”可能的關(guān)聯(lián)和結(jié)論。同樣,對于工作記憶與高級認知活動關(guān)系的研究好像也是存在這樣一個問題,研究者們只是關(guān)心所謂兩個任務(wù)之間的關(guān)系,而對更具情境性和實際意義的認知活動并不關(guān)心。因此,探討工作記憶與個體現(xiàn)實生活中的表現(xiàn)與成就之間的關(guān)系,將對于提升研究的價值,提高研究的外推生態(tài)效度具有重要的意義。

(三)加強應(yīng)用研究

如前所述,已有研究者表明工作記憶能力可以通過訓(xùn)練得到提升,那么通過工作記憶訓(xùn)練為特殊兒童提供治療、干預(yù)和教育輔導(dǎo),通過工作記憶的訓(xùn)練為工作記憶缺陷個體的臨床干預(yù)和治療提供有效的工具,通過工作記憶訓(xùn)練提高個體的智力、學(xué)習(xí)和推理能力,通過工作記憶訓(xùn)練延緩老年人的認知老化,這些結(jié)果都將會變得非常誘人。工作記憶訓(xùn)練研究不僅僅是檢驗工作記憶在人類高級認知中核心作用的重要途徑,而且是工作記憶理論建構(gòu)的有機組成部分。

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(責任編輯 侯珂 責任校對 侯珂 宋媛)

Working Memory:Critical Role in Human Cogn ition

ZHAO Xin1,2,ZHOU Ren-Lai1,2,3

(1.State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning,BNU,Beijing 100875,China; 2.Beijing Key Lab of Applied Experimental Psychology,BNU,Beijing 100875,China; 3.Key Laboratory of Child Development and Learning Science,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Working Memory is the term used to refer to a system responsible for temporarily sto ring and manipulating info rmation.It is an important facto r for many cognitive skills,including intelligence,p roblem solving,reasoning ability, learning and creativity.In recent years,the researchers adop t latent variable analysis and p rove that there is an intimate relationship between Central Executive Component in Wo rking Memory and advanced cognitive activities.Brain imaging researches state that the sharing brain mechanism is themain reason of wo rking memo ry,and advanced cognitive activities have a close relation to it.The finding that the individual reading ability and intelligence level are enhanced by training further p roves that Working Memo ry is the important role in human advanced cognitive activities.

wo rking memory;cognitive activity;latent variable analysis;brain imaging research;training

B84

A

1002-0209(2010)05-0038-07

2010-04-20

周仁來,北京師范大學(xué)心理學(xué)院,教授。

“長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”(IRT0710)、北京師范大學(xué)自主科研基金資助項目(2009SC-3)。