唐丹丹傅瑜吳燕京朱海
(1遵義師范學(xué)院教師教育學(xué)院,遵義563006)
(2西南大學(xué)心理學(xué)部,重慶400715)
(3中國(guó)人民大學(xué)信息資源管理學(xué)院,北京100872)
(4寧波大學(xué)外國(guó)語(yǔ)學(xué)院,寧波315211)
工作記憶(working memory, WM)是大腦臨時(shí)保持和操作信息的至關(guān)重要系統(tǒng)(Baddeley, 1992,2003a, 2003b),它與執(zhí)行注意有密切關(guān)聯(lián)(Engle,2018)。WM 能力是WM 的重要特征。它指大腦在復(fù)雜WM 任務(wù)中編碼、加工和檢索信息的能力(Barrett, Tugade, & Engle, 2004; Kane, Bleckley,Conway, & Engle, 2001; Unsworth & Spillers,2010)。視覺(jué)空間WM 能力是人類WM 能力的一個(gè)重要方面。研究者通常采用高干擾任務(wù)(被試在記憶目標(biāo)刺激時(shí),需要排除分心物的干擾)和高執(zhí)行任務(wù)(被試在記憶目標(biāo)時(shí),需要控制注意和管理資源分配,從而完成對(duì)目標(biāo)的操作)來(lái)考察人類的視覺(jué)空間WM 能力及其特征。
研究發(fā)現(xiàn),視覺(jué)空間WM 能力具有明顯的組間差異。這可能是由于高視覺(jué)空間WM 能力(高WM 能力)組比低視覺(jué)空間WM 能力(低WM 能力)組具有更強(qiáng)的執(zhí)行注意能力和過(guò)濾分心物的能力。在高干擾任務(wù)中,高WM 能力組比低WM 能力組完成得更好;在低干擾任務(wù)中,兩組成績(jī)無(wú)顯著差異(Conway & Engle, 1994; Conway,Kane, & Engle, 2003; Kane et al., 2001; Kane & Engle,2000, 2003; Redick & Engle, 2006; Rosen & Engle,1997; Unsworth, Schrock, & Engle, 2004)。這可能是由 于高WM 能力組調(diào)用了更強(qiáng)的執(zhí)行注意(控制注意和管理資源分配的能力)(McNab & Klingberg,2008; Osaka et al., 2003, 2004)。
高WM 能力組在解決沖突和篩選干擾信息方面也更具優(yōu)勢(shì)(Engle, 2010; Unsworth & Engle, 2007;Vogel, McCollough, & Machizawa, 2005; Zanto &Gazzaley, 2009),這可能由于高WM 能力組能有效調(diào)用執(zhí)行注意阻止分心物干擾。例如,在高干擾任務(wù)中,高WM 能力組更容易阻止分心物進(jìn)入記憶保持階段(Jost, Bryck, Vogel, & Mayr, 2011;Vogel & Machizawa, 2004; Zanto & Gazzaley,2009)。Vogel 等(2005)采用高干擾任務(wù)(例如,分心任務(wù))考察了視覺(jué)空間WM 的組間差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn),高WM 能力組在表征相關(guān)項(xiàng)目上更有效率,而低WM 能力組無(wú)效地編碼和維持了無(wú)關(guān)項(xiàng)目。這表明,高WM 能力組可能通過(guò)一種神經(jīng)抑制機(jī)制阻止有限的WM 容量超載,從而有效地將無(wú)關(guān)項(xiàng)目排除在記憶之外(Zanto & Gazzaley, 2009)。
然而,現(xiàn)有研究大都采用高干擾任務(wù)考察視覺(jué)空間WM 的組間差異,而在高執(zhí)行任務(wù)(例如,心理旋轉(zhuǎn)任務(wù))中,視覺(jué)空間WM 的組間差異及其特征還不清楚。本研究記錄了高、低WM 能力被試完成視覺(jué)空間WM 維持任務(wù)(低執(zhí)行任務(wù))和操作任務(wù)(高執(zhí)行任務(wù))時(shí)的行為和事件相關(guān)電位(event?related potentials, ERPs)數(shù)據(jù),探討了視覺(jué)空間WM 的組間差異及神經(jīng)機(jī)制。由于視覺(jué)空間維持(即保持視覺(jué)空間信息,以用于進(jìn)一步的操作和鞏固信息)和視覺(jué)空間操作(即在最初編碼視覺(jué)空間信息的基礎(chǔ)上操作這些信息)是視覺(jué)空間WM 系統(tǒng)的兩種主要功能(Cohen et al., 1997; Jolles, Kleibeuker, Rombouts, &Crone, 2011; Thakkar & Park, 2012),所以采用這兩類任務(wù)能考察人類的視覺(jué)空間WM 能力。
視覺(jué)空間WM 維持任務(wù)是一個(gè)延遲再認(rèn)任務(wù),即當(dāng)記憶刺激呈現(xiàn)后,被試需要在固定的時(shí)間內(nèi)保持兩個(gè)項(xiàng)目的形狀及其位置。視覺(jué)空間WM 操作任務(wù)是一個(gè)心理旋轉(zhuǎn)任務(wù),即當(dāng)記憶刺激呈現(xiàn)后,在隨后的延遲階段,被試必須在心理順(或逆)時(shí)針旋轉(zhuǎn)刺激的位置144°,使它們處于水平狀態(tài)。先前研究揭示,完成視覺(jué)空間WM操作任務(wù)比完成視覺(jué)空間WM 維持任務(wù)需要更多的執(zhí)行注意參與(D’Esposito, Postle, Ballard, &Lease, 1999; Glahn et al., 2002; Liu, Guo, & Luo, 2010;Morgan et al., 2010; Owen et al., 1999)。
基于先前研究(Beste, Heil, & Konrad, 2010;Gazzaley, Cooney, Rissman, & D’Esposito, 2005),為有效測(cè)量WM 成績(jī),本研究首先平均了每名被試在兩個(gè)任務(wù)中的正確率(因?yàn)橥瓿蓛蓚€(gè)任務(wù)需要共同的WM 能力,并且任務(wù)類型是組內(nèi)變量),然后從小到大排序,再采用中位數(shù)區(qū)分高、低WM 組。先前研究也采用了類似策略來(lái)劃分高、低WM 組(Beste et al., 2010; Vogel et al., 2005)。
由于完成視覺(jué)空間WM 操作任務(wù)需要大腦調(diào)用很強(qiáng)的執(zhí)行注意,而高WM 能力組比低WM 能力組的執(zhí)行注意能力更具優(yōu)勢(shì),所以本研究預(yù)測(cè),在視覺(jué)空間WM 操作任務(wù)中,高WM 組比低WM 組的成績(jī)顯著更好,兩組被試的ERPs 特征有顯著差異。然而,由于完成視覺(jué)空間WM 維持任務(wù)比操作任務(wù)所需的執(zhí)行注意更弱(D’Esposito et al., 1999; Glahn et al., 2002; Liu et al., 2010; Morgan et al., 2010; Owen et al., 1999),那么高、低WM 組被試的執(zhí)行注意能力差異可能對(duì)維持任務(wù)的完成無(wú)顯著影響。所以,在維持任務(wù)中,兩組被試的成績(jī)可能無(wú)顯著差異。另外,本研究預(yù)測(cè)操作任務(wù)和維持任務(wù)引發(fā)的ERPs 特征有顯著差異。
28 位右利手被試(其中,11 位女性;M=20.96 歲,SD=1.12 歲)有償參與本研究。視力或矯正視力正常,色覺(jué)正常,未參加過(guò)類似實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)前均簽署知情同意書(shū)。西南大學(xué)人類研究倫理委員會(huì)同意實(shí)施本研究。
實(shí)驗(yàn)程序用E-Prime 1.0 編制并運(yùn)行,被試在標(biāo)準(zhǔn)QWERTY 鍵盤(pán)上做按鍵反應(yīng)。所有刺激被呈現(xiàn)在DELL17 英寸的液晶顯示器屏幕中央,屏幕分辨率為1024×768 像素,顏色為真彩色,刷新率為85 Hz,背景顏色為灰色。被試距屏幕的距離約90 cm。記憶、延遲和測(cè)試階段的刺激被呈現(xiàn)在一個(gè)黑色圓圈內(nèi)(視角大約為7.43°)。
采用2×2 混合因素設(shè)計(jì),任務(wù)類型(維持、操作)是被試內(nèi)因素,WM 分組(高、低)是被試間因素。其中,低WM 組14 人,高WM 組14 人。
實(shí)驗(yàn)包含記憶、延遲和測(cè)試三個(gè)階段(參見(jiàn)圖1)。在記憶階段,對(duì)于每個(gè)試次,同時(shí)呈現(xiàn)從四個(gè)形狀(正方形、等邊三角形、寬十字形和四角星形)中隨機(jī)選擇的兩個(gè)不同形狀和短紅線,每個(gè)形狀的視角大約為0.62°×0.62°。被試需要記憶這兩個(gè)不同的形狀及其位置。在延遲階段,兩個(gè)形狀消失,短紅線仍保留在屏幕上,以暗示怎樣完成該任務(wù)。在延遲階段,如果只有一條紅線垂直呈現(xiàn)在圓圈頂端(參見(jiàn)圖1A),當(dāng)前的任務(wù)是維持任務(wù),即保持記憶階段圖像的角度及其位置;如果有兩條短紅線(參見(jiàn)圖1B、圖1C),一條垂直呈現(xiàn)在圓圈頂端,另一條呈現(xiàn)在與它大約呈144°的位置,當(dāng)前的任務(wù)是操作任務(wù),即心理旋轉(zhuǎn)記憶階段圖像的角度144°(順時(shí)針或逆時(shí)針),把傾斜線以最短的距離旋轉(zhuǎn)成垂直線。在測(cè)試階段中,一個(gè)視角大約為0.62°的紅色小圓圈或左或右呈現(xiàn)在目標(biāo)形狀的位置上,指示正確的反應(yīng)。被試需要根據(jù)紅色小圓圈呈現(xiàn)的位置上所指示的目標(biāo)形狀做出反應(yīng)。當(dāng)目標(biāo)形狀分別是正方形、等邊三角形、寬十字形和四角星形時(shí),被試分別按“1”、“2”、“3”、“4”鍵。目標(biāo)形狀和反應(yīng)鍵的映射規(guī)則始終呈現(xiàn)在屏幕下方。
實(shí)驗(yàn)程序見(jiàn)圖1。在每個(gè)試次中,被試需要在測(cè)試階段又快又準(zhǔn)確的做出反應(yīng),反應(yīng)后刺激消失。試次之間的間隔時(shí)間固定為是1000 ms。在正式實(shí)驗(yàn)前,所有被試完成預(yù)備實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)程序和正式實(shí)驗(yàn)的一致。被試在預(yù)備實(shí)驗(yàn)中的準(zhǔn)確率高于80%時(shí)才進(jìn)入正式實(shí)驗(yàn)。正式實(shí)驗(yàn)共包含兩個(gè)block。每個(gè)block 共80 個(gè)試次,維持任務(wù)和旋轉(zhuǎn)任務(wù)各40 個(gè)試次,這些試次隨機(jī)呈現(xiàn)。
圖 1 實(shí)驗(yàn)程序和任務(wù)類型
EEG 記錄方法見(jiàn)Tang,Hu,Lei,Li 和Chen(2015)。首先采用Vision Analyzer 軟件對(duì)EEG 數(shù)據(jù)做參考,參考電極為雙側(cè)乳突,再進(jìn)行30 Hz 的低通濾波,0.1 Hz 的高通濾波。然后采用EEGLAB(Delorme & Makeig, 2004)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段,分析時(shí)程從記憶刺激呈現(xiàn)前200 ms 到呈現(xiàn)后2200 ms,采用先于記憶刺激呈現(xiàn)前的時(shí)間間隔(?200 ms 到0 ms)為基線,并做基線校正。去偽跡方法見(jiàn)Tang 等(2015)。最后再做基線校正。
基于先前研究(Awh, Anllo-Vento, & Hillyard,2000; Jha, 2002; Morgan et al., 2010),本研究分析P1、N1 和P3b 峰值及慢波(slow waves)平均波幅。由于P1 和N1 在雙側(cè)后頂區(qū)(P5、P6、P7、P8、PO7 和PO8)的活動(dòng)最強(qiáng),所以我們?cè)谠搮^(qū)域分別測(cè)量P1 和N1 峰值,其峰潛伏期分別為70~120 ms 和130~200 ms。在Pz 點(diǎn)測(cè)量P3b 峰值(Boucher et al., 2010),潛伏期為390~470 ms;分別在八個(gè)感興趣區(qū)域(regions of interests, ROIs)分析慢波平均波幅(Hsieh, Ekstrom, & Ranganath,2011):左前額葉( F3、F5 和FC3)、中前額葉(Fz 和FCz)、 右前額葉(F4、F6 和FC4)、 左側(cè)中頂區(qū)(C3、CP3 和CP5)、 中頂區(qū)(Cz 和CPz)、右側(cè)中頂區(qū)(C4、CP4 和CP6)、 左側(cè)后頂區(qū)(P5、P7 和PO7)、 右側(cè)后頂區(qū)(P6、P8 和PO8)。分析時(shí)程分別為700~1200 ms、1200~1700 ms 和1700~2200 ms。
錯(cuò)誤試次和反應(yīng)時(shí)(response time, RT)超出均值±3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的異常值被剔除(Miyake et al.,2000)。最后,每個(gè)任務(wù)最少包含48 個(gè)有效試次。當(dāng)自由度大于等于2 時(shí),采用Mauchly’s test of sphericity 矯正p 值。如果違反sphericity 假設(shè),實(shí)施Greenhouse-Geisser 矯正。為了控制多重比較問(wèn)題,采用Bonferroni 方法校正p 值。
圖2 展示了平均RT(左)和正確率(右)。
圖 2 反應(yīng)時(shí)和正確率結(jié)果
以任務(wù)類型(維持、操作)和WM 分組(高、低)為自變量,對(duì)RT 實(shí)施兩因素混合方差分析(analysis of variance, ANOVA)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),任務(wù)類型和WM 分組主效應(yīng)都顯著,所有F(1, 26)>5,p<0.05,η>0.12。任務(wù)類型和WM 分組的交互效應(yīng)顯著,F(xiàn)(1, 26)=7.97,p<0.01,η=0.36。簡(jiǎn)單效應(yīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在操作任務(wù)中,高WM 組比低WM 組的RT 顯著更短,p<0.01。
與RT 的分析相似,對(duì)于正確率,任務(wù)類型和WM 分組的主效應(yīng)都顯著,所有F(1, 26)>5,p<0.05,η>0.1。兩因素交互效應(yīng)不顯著,F(xiàn)(1, 26)<1。
對(duì)于N1(130~200 ms)和P1(70~120 ms)峰值,兩因素混合方差分析沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著差異,F(xiàn)(1, 26)<1。對(duì)于P3b(390~470 ms,Pz)峰值,兩因素混合方差分析發(fā)現(xiàn)了顯著的任務(wù)類型主效應(yīng),F(xiàn)(1, 26)=16.88,p<0.01,η=0.51(參見(jiàn)圖3A)。
圖 3 Pz 點(diǎn)上的總平均波幅和中頂區(qū)慢波波幅
對(duì)于左前額葉、右前額葉和中前額葉慢波平均波幅,分別實(shí)施三因素混合方差分析。被試內(nèi)因素是任務(wù)類型(維持、操作)和時(shí)間窗(700~1200 ms、1200~1700 ms 和1700~2200 ms),被試間因素是WM 分組(高、低)。在左前額葉,任務(wù)類型主效應(yīng)顯著,F(xiàn)(1, 26)=4.78,p<0.05,η=0.15,操作任務(wù)比維持任務(wù)引發(fā)了更大的正慢波。在中前額葉,WM 分組的主效應(yīng)顯著,F(xiàn)(1,26)=4.22,p<0.05,η=0.13,高WM 組比低WM 組引發(fā)了更大的正慢波(參見(jiàn)圖4)。無(wú)其他顯著差異,p>0.10。
對(duì)于中頂區(qū)慢波波幅,本研究以任務(wù)類型(維持、操作)、時(shí)間窗(700~1200 ms、1200~1700 ms 和1700~2200 ms)、大腦半球(左、右)和WM 分組(高、低)為變量,實(shí)施四因素混合方差分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),大腦半球主效應(yīng)顯著,F(xiàn)(1,26)=6.27,p<0.05,η=0.30,右半球比左半球記錄到顯著更大的負(fù)慢波(參見(jiàn)圖3B)。
后頂區(qū)慢波波幅的分析方法和中頂區(qū)的類似。結(jié)果發(fā)現(xiàn),任務(wù)類型主效應(yīng)顯著,F(xiàn)(1, 26)=14.38,p<0.01,η=0.49,操作任務(wù)比維持任務(wù)引發(fā)了更大的負(fù)慢波。大腦半球主效應(yīng)顯著,F(xiàn)(1,26)=4.18,p<0.05,η=0.13,右半球比左半球記錄到顯著更大的負(fù)慢波。WM 分組和任務(wù)類型交互效應(yīng)顯著,F(xiàn)(1, 26)=4.29,p<0.05,η=0.14。簡(jiǎn)單效應(yīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在維持任務(wù)中,高、低W M組的慢波波幅無(wú)顯著差異,p=0.43(參見(jiàn)圖5A 和圖5C);在操作任務(wù)中,高WM 組比低WM 組的負(fù)慢波波幅顯著更大,p<0.05(參見(jiàn)圖5B 和圖5D)。
圖 4 中前額葉總平均ERPs 波形和高、低WM 組的差異波地形圖
為考察中前額葉活動(dòng)和后頂區(qū)活動(dòng)之間的關(guān)系,本研究分別對(duì)維持任務(wù)和操作任務(wù)中的慢波波幅(700~2200 ms)實(shí)施皮爾遜相關(guān)分析。對(duì)于高WM 組,在維持任務(wù)中,中前額葉波幅和后頂區(qū)波幅無(wú)顯著相關(guān),r=?0.09,p=0.68(參見(jiàn)圖6A);在操作任務(wù)中,中前額葉波幅和后頂區(qū)波幅顯著負(fù)相關(guān),r=?0.38,p<0.05(參見(jiàn)圖6B)。對(duì)于低WM 組,在維持任務(wù)和操作任務(wù)中,所有相關(guān)關(guān)系都不顯著,所有r<?0.13,p>0.49。
圖 5 維持任務(wù)和操作任務(wù)中的波形圖和平均波幅
圖 6 高WM 組波幅的相關(guān)分析結(jié)果
本研究考察了視覺(jué)空間WM 維持和操作的組間差異及其神經(jīng)機(jī)制。RT 結(jié)果顯示,在操作任務(wù)中,高WM 組比低WM 組反應(yīng)更快;在維持任務(wù)中,兩者無(wú)顯著差異(參見(jiàn)圖2)。這些結(jié)果與本研究的預(yù)期一致,即與低WM 組相比,高WM 組能顯著更好地完成操作任務(wù);但在維持任務(wù)中,兩組成績(jī)無(wú)顯著差異。ERPs 結(jié)果進(jìn)一步闡明了其神經(jīng)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),WM 任務(wù)和心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)能引發(fā)P3b 成分(Heil & Rolke, 2002; Kok, 2001; Morgan,Klein, Boehm, Shapiro, & Linden, 2008)。在心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中,P3b 波幅隨旋轉(zhuǎn)角度增加而減?。℉eil,2002; Wijers, Otten, Feenstra, Mulder, & Mulder,1989)。心理旋轉(zhuǎn)需要WM 加工,并消耗注意和認(rèn)知資源;旋轉(zhuǎn)角度越大,消耗的加工資源越多,P3b 波幅越小(Polich, 2007)。本研究發(fā)現(xiàn),維持任務(wù)(旋轉(zhuǎn)0°)中的P3b 波幅(390~470 ms)顯著大于操作任務(wù)中的波幅(旋轉(zhuǎn)144°)(參見(jiàn)圖3A),這與先前研究一致??赡芡瓿刹僮魅蝿?wù)需要辨別旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的方位和角度,因此需要更多的注意和WM 加工。
大腦頂區(qū)的負(fù)走向慢波與WM 加工有關(guān),其波幅越大,WM 加工越強(qiáng)(Bosch, Mecklinger, &Friederici, 2001; Mecklinger & Pfeifer, 1996; R?sler,Heil, & R?der, 1997; Vogel & Machizawa, 2004)。另外,左頂區(qū)可能負(fù)責(zé)語(yǔ)言信息的儲(chǔ)存和處理(Jonides et al., 1998; Rama, Sala, Gillen, Pekar, &Courtney, 2001; Smith, Jonides, & Koeppe, 1996; Vallar,Di Betta, & Silveri, 1997),右頂區(qū)可能負(fù)責(zé)處理視覺(jué)空間信息(Baddeley, 2003b; Corballis, 2003; Smith& Jonides, 1997; Smith et al., 1996)。本研究發(fā)現(xiàn),右側(cè)中頂區(qū)的負(fù)慢波波幅(700~2200 ms)顯著更大(參見(jiàn)圖3B)。這表明,完成維持任務(wù)和操作任務(wù)可能更需要右側(cè)中頂區(qū)參與。
本研究發(fā)現(xiàn),在操作任務(wù)中,高WM 組比低WM 組的中前額葉正慢波波幅(700~2200 ms)顯著更大(參見(jiàn)圖4)?;谙惹把芯?,執(zhí)行注意的作用在于管理和監(jiān)測(cè)認(rèn)知資源的分配,主要涉及到前額葉參與(D’Esposito et al., 1995; Serino et al.,2006)。并且,前額葉正慢波波幅越大,執(zhí)行注意越強(qiáng)(Liu et al., 2010; Mecklinger & Pfeifer, 1996)。所以,本研究可能表明,在操作任務(wù)中,高WM 組比低WM 組能調(diào)用更強(qiáng)的執(zhí)行注意來(lái)有效管理和監(jiān)測(cè)認(rèn)知資源的分配,這使得高WM 組能更有效完成操作任務(wù)。另外,在左前額葉,操作任務(wù)比維持任務(wù)引發(fā)了更大的正慢波。這可能表明,完成操作任務(wù)需要更多執(zhí)行注意加工的參與。
在操作任務(wù)中,在雙側(cè)后頂區(qū),高WM 組比低WM 組的負(fù)慢波波幅(700~2200 ms)顯著更大(參見(jiàn)圖5)。由于雙側(cè)后頂區(qū)負(fù)慢波可能反映了WM 中視覺(jué)(物體)表征和存儲(chǔ)加工,并且視覺(jué)空間操作任務(wù)高度依賴于視覺(jué)空間表征(Hyun &Luck, 2007; Prime & Jolicoeur, 2010),所以負(fù)慢波波幅越大意味著大腦運(yùn)用越多的WM 存儲(chǔ)和表征視覺(jué)圖像(Bosch et al., 2001; Prime & Jolicoeur,2010; R?sler et al., 1997; Vogel & Machizawa,2004)。因此,在視覺(jué)物體加工階段,高WM 組可能通過(guò)調(diào)用更多的WM 加工資源(Emrich,Lockhart, & Al-Aidroos, 2017)來(lái)存儲(chǔ)和表征視覺(jué)信息,從而能更有效完成心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)。
在操作任務(wù)中,高WM 組的中前額葉活動(dòng)和后頂區(qū)活動(dòng)顯著負(fù)相關(guān)(參見(jiàn)圖6)。由于中前額葉慢波與后頂區(qū)慢波的極性相反,負(fù)相關(guān)說(shuō)明中前額葉正慢波波幅越大,后頂區(qū)負(fù)慢波波幅越大。這可能表明,中前額葉調(diào)用越多的執(zhí)行注意監(jiān)測(cè)管理心理旋轉(zhuǎn)過(guò)程,同時(shí)后頂區(qū)調(diào)用越多的視覺(jué)WM 資源表征視覺(jué)物體(Tseng, Iu, & Juan,2018),所以完成操作任務(wù)需要兩者共同參與。
高WM 組可能通過(guò)有效分配加工資源來(lái)加強(qiáng)目標(biāo)的視覺(jué)表征,從而促進(jìn)目標(biāo)的識(shí)別。