中央执行系统和情节缓存讲义(正式版)

1、当前文档修改密码：8362839中央执行系统和情节缓存研究综述2003级心理学研究生高志华摘要：工作记忆提岀至今已有 30年了，对中央执行系统的研究也随着实验方法和技术的发展有了较大突破，但在很 多问题上仍存在争议，特别对在工作记忆与长时记忆、语音回路与视空间模板的联结上的解释上还有许多不足。基于此 Baddeley于2000年提出了工作记忆模型的第四个成分情节缓存(the episodic buffer )，将中央执行系统看作一个纯粹的注意控制系统，而情节缓存则是一个暂时储存多种编码信息的缓存器，由此产生了新的工作记忆模型。当然这一理论 还有待进一步的实验验证。关键词：工作记忆、工作记忆模型

2、、中央执行系统、情节缓存1 .引言工作记忆(working memory )模型是 Baddeley 和Hitch ( 1974年)在短时记忆的基础上提出的一 种记忆系统，用以说明短时的信息存储和加工，但它不是一个单一的系统，而是由三个独立的成分组成的复杂系统，包括语音回路(Pho no logical loop )、视空间模板(Visuo-spatial Sketchpad )和中央执行系统(the central executive )。语音回路专门负责听觉和语言信息的存储和控制，视空间模板负责视觉和 空间信息，而中央执行系统是工作记忆的核心，是一个容量有限的注意控制系统，负责各子系统的之

3、间的管理和策略的选择和计划。工作记忆模型如图1所示。这一视空间模板11/中央执行i语音回路图1: Baddeley 和Hh绻工作记忆模型理论模型一经提出dd便引|起广uman关注，r并引发出大量有价值的行为学和神经科学的实验研究, 他们都证实了这三个系统的存在特别在对语音回路和视空间模板的研究已取得丰硕的成果,上达成了普遍共识。但相比较而言， 上还存在争议。正是基于这一点我们更有必执行系统因其自身的复杂性，垃进行讨论，以加深理解，更好地推动对其研究的进行。对它的研究还相对少在许多问题在很多问题2 .中央执行系统(the central executive )2 .1理论结构最初，人们含糊地将中

4、央执行系统定义为一个容量有限的一般加工资源的存储器，像是一个要负责做出重要决定的小矮人，要解决诸如，语音回路和视空间模板这两个子系统应该怎么使用这样的大问题。但对其内在的过程这种定义却不能给出很好的解释。直到Baddeley以中央执行系统的注意控制特性为核心，借用 Norman 和 Shallice 的注意模型中的监控注意系统SAS (the Supervisory Attentional subsystem)(Norman和Shallice， 1986 )，对中央执行系统的研究才有了巨大的进展。见图2 。SAS模型的发展源于对两种现象的解释，一是正常人的心不在焉(Reason ，1984 )

5、，一种是额叶损伤病人常出现的注意控制缺陷(Shallice，1982 )。一般假设，控制人类的行为主要是由以环境为线索的大量的图式系列或习惯，即外界线索输入知觉系统(Perceptual system )，激活触发数据库(Trigger database )中的已有图式，图式运行，产生动作，如，驱车穿梭于繁华的城市去一个熟悉的地方，这样的 路线任务。但是，不同的线索间常会引发冲突，如是继续开车去既定目的地，还是停下来等红灯，人们设 想我们的头脑中存在很多自动的冲突解决程序，在产生式系统(production system )尤为突出(Newell和Simon，1972 )。人们通过图式控制单元

6、(Schema contral units )中各种图式自动的竞争控制(Contentionscheduling )，确立适当图式并输出到效应器系统(Effector system )。当新问题出现时，如开车去的是不熟悉的地方或汽车抛锚了，这时SAS才开始发挥作用，它能利用当前的刺激，结合长时记忆中的信息，设计新的解决方案，并保证计划正常进行。如果SAS不能克服习惯，就会发生行为失误(slips of action ，如本来想去超市却习惯性地直接去了办公室，这类事例在日常生活中比比皆是，几乎在每个人的生活中都发生过。而额叶损伤的病人因为SAS受损表现出许多注意问题，如这种病人在威斯康星卡片分类

7、测验（Wisconsin Card Sorting Test, WCST ）只能掌握第一条规则，不能转化学习后面的规则，表现为持续言语（perseverations ）。还有病人出现使用性行为（ utilization behavior ）。19图62年Normadde和eSha借用了（ S986）系统汽型为它就是工作记忆的核制心信息分中央代表系统输入个交 型有助线于人着竞争讨工作记忆的相内在抑制程和机制“效应器系到很多后续行为学和加工单心理学实有行支持思想图式为人们广 泛接图式操但是包括a时存储信息也激活 点会在后面的讨论中涉及到。几乎所有相关研究均强调大脑前额叶对于执行加工的作用，区（ B

8、A9，/46）和前扣 执行加工中的作用是分离 刺激，2 . 2 L中央执行系统的功能作为工作记忆的核心部分， （1996 ）从操作任务的角度，认为中央执行系统有3种功 间信息的传导； 母和数字。服定势反应等加这Douglas行系统仅定位于单一的SAS机制可能会产生误导。关于这一Human Memory : Theory and Practice ， P90）般认为王要的功能区在背外侧前额/随后的研究表明这点/看法不一。例如,CESpOsO ， 1能有什么呢?能，、脑区是在关分别是（1）控制语音回路和视空间模板（2）控制工作记忆与其它记忆存贮间信息的存贮;谕必（3 ）心算、逻辑推理和随机生成字还

9、有人认为，中央执行系统有4种功能，是（1）协调其它两个子系统的操作（协调功能）；（2）与SAS相类似的改变提取策略的能力（转换策略的功能）；（3）选择地注意某个刺激，而抑制其它的刺激干扰（选择性注意功能）；（4）操纵注意资源（注意资源的分配与控制）。而Baddeley （2001 ）认为中央执行系统作为一种注意控制系统，主要功能在于对注意的管理与控制。他的观点是：（1）集中注意（focusing attention ）（2）分配注意（dividing attention ）（3）转换注意（switching attention ）（4）联结工作记忆和长时记忆不难看出这些观点有相似甚至重合的地方

10、，如联结两个子系统各联结工作记忆与长时记忆，但彼此间又有很大分歧。现简要介绍一下Baddeley的观点及相关实验研究。2. 2 . 1集中注意 关于中央执行系统的第一种功能研究最多。一般假设，任何注意容量受限制的活动 都会影响行为操作。在一项双任务（dual-task ）研究中，Baddeley以国际象棋大师和新手为两组被试，让他们完成回忆棋子位置和下象棋的任务，这都对中央执行系统的要求很高。干扰任务有三种，分别是发音抑制（干扰语音回路）、敲击计算器上的特定键（干扰视空间模板）和随机生成数字（干扰中央执行系 统）。专家和新手尽管在所有水平上差异都很显着，但表现出相同的趋势，即发音抑制对主任务没

11、有影响，敲击键盘有影响，而随机生成数字影响最大。但是，并不是所有的复杂任务中都有表现出这种趋势，例如，从长时记忆中提取信息。Baddeley （ 1980 ）进行的一系列实验中， 要求被试学习和提取单词表，同时施加干扰任务，结果干扰任务明显影响学习过程，却没有影响回忆的准确性。Craik （1986年）等人重复这一实验，发现了更有意思的现象，虽然提取任务本身未受干扰任务的影响，但提取却影响了干扰任务，不过干扰任务的受影响程度对要求任务水平并不敏 感。总之，有效地集中注意的能力很显然是中央执行器的重要功能，但是，也要注意，并不是所有任务都 依赖这一功能，或者说事实上所有复杂任务并不依靠这一功能。

12、2 . 2 . 2分配注意在这方面的研究目前主要集中在年老化的研究方面，特别是从对早老性痴呆症（Alzheimer ' s disease简写成AD）的研究中得到很多证据。早老性痴呆症，又称阿尔采姆症，这种病 人表现出长时记忆严重受损，并有注意缺陷（Perry和Hodges , 1999 ）。假设AD病人存在中央执行系统的损害，Baddeley设计了一种依赖中央执行系统的实验。在实验中，要求双任务操作语音回路（数字 广度）和视空间模板（追视盘）任务。实验前对单项任务执行的操作水平都进行了严格控制，以使AD病人，老年和青年组控制被试的准确率相同，这样处理可以将被试间执行单项任务中的能力和

13、年龄差异剔除出去，也就将中央执行系统的分配功能分离出来。实验结果是， AD 病人的双任务操作成绩，与控制组相 比非常差，而老年组和青年组的成绩则没有表现出年龄差异。然而这两项任务单独操作时， AD 病人的操 作水平也未明显受到任务难度增加的影响（ Logie ，Della Sala ，Wynn 和 Baddeley ，2000 ）。国内，陈 天勇，韩布新 2002 年的实验也得出了相同的结论，这都证明了中央执行系统具有分配注意的功能。 223 转换注意有人认为转换注意很容易受到额叶损伤的影响（ Shallice ，1988 ）。在这方面的研究较少，但1994年，Allport > Sty

14、les和Hsieh的研究却发现转换注意并不依赖中央执行系统。同样，Baddeley的近期研究也发现转换注意只很少依赖中央执行系统， 而更多涉及到了语音回路。 对转换注意是否可视作 中央执行系统的一种功能仍需进一步的研究（ Monsell 和 Drives ， 1999）。3 情景缓存 （the Episodie Buffer）促使工作记忆系统和长时记忆的结合一般被认为是中央执行系统的第四种功能（Baddeley ， 1996 ；Douglas （1996） ），但现有的三成分模型对这一功能却不能给出适合的解释。除此之外，“组块化”、 语音回路和视空间模板的结合， 意识与工作记忆的关系等等一系列

15、问题， 用目前的三成分工作记忆模型都 不能进行完整的解释。下面先来讨论一下这些问题。31 原有模型存在的问题第一个问题表现在对文章和无关单词的即时回忆中， 存在着对立现象， 一般单词广度 （无关单词） 是 5个项目，而句子广度（句子中单词的数量）却高达 16个单词（ Baddeley ， Vallar 和 Wilson ， 1987）。 我们先假设多出的 10 或 11 个单词来自长时记忆，那么，有特定短时记忆缺陷的病人的句子广度就应该 是 10 个单词左右，但事实上是 5个（ Baddeley 和 Vallar ， 1984），那么另外 5 个在哪儿？还有，在 材料有意义的情况下， 即时回忆

16、对语义相似性敏感， 而无关单词广度也容易受到像词频和可想象性等因素 的影响，而这些因素一般认为存在于长时记忆中，而不是短时记忆中的语音回路（Hulme ， Roodenrys ，Brown 和 Mereer ， 1995 ）。第二个问题来自对文章段落回忆的解释。 虽然脑损伤病人一般地在文章段落的即时和延时回忆中成绩 都很差， 但有一种深度遗忘病人， 他的延时回忆成绩为零， 而即时回忆却非常好。 这样的病人一般保持着 正常的智力和中央执行功能（ Baddeley 和 Wilson ，出版中）。因为三成分模型设定其子系统的容量有限 且中央执行系统是一个纯粹的注意系统， 而没有自身的存储能力 （Ba

17、ddeley ， 1996；Baddeley 和 Logie， 1999），这就难以很好的解释这种现象。文章回忆集中反映了组块（ehunking ）加工的过程，借助它使项目结合起来形成大的单元，如单词组成词组，形成更为经济的存储（Miller， 1956；Miller 和 Selfridge ，1950 ）。组块化的存在具有普遍性和重要性，但三成分模型却未能就此提出确切的说明。第三个问题来自两个不同子系统， 语音回路和视空间模板的信息是怎么结合在一起的。 近期研究证明， 即使是简单的言语单元也都是言语和视觉编码的结合 （Chineotta ， Underwood ，Abd Ghani ，Pap

18、adopoulou 和 Wresinksi ， 1999；Logie 等， 2000）。可是，如果两个存储系统是分开的，那么信息是在哪里，又是 如何结合的呢？如果有这样的结合，又是在什么水平上的共同编码呢？第四个问题的提出源于用工作记忆模型解释意识觉察（ eonseious awareness ）问题（ Baddeley 和 Andrade ， 2000 ）。尽管 Baddeley 早已假定，视空间模板是视觉想象的基础，而语音回路是听觉想象的 基础，但要说清楚这个问题却一直没有直接证据（ Baddeley 和 Logie ， 1992 ）。于是，为了解决这个问 题，他设计了一个实验（ Badd

19、eley 和 Andrade ， 2000 ），要求被试先形成表象，并评价表象的清晰度， 同时进行干扰任务， 语音抑制和空间抑制， 它们会干扰工作记忆模型的两个子系统的工作。 当被试对他们 刚刚看到或听到的图象或声音形成新的视觉表象时，发音抑制降低了听觉表象清晰度而空间抑制 （ spatialsuppression ）则降低了视觉表象的清晰度，这是对两个子系统作用的很好说明。但是，当要求被试通过 以往的长时经验形成表象时， 如表象当地的一个菜市场或电话聊天时， 情况就改变了， 两个子系统仍然有 重要作用， 但长时记忆因素显得更为重要， 表象的清晰度更多的取决于景象是活跃的还是沉闷的， 是稀松

20、平常的还是异乎寻常的等这些因素。 清晰度表现出对可用的准感觉知识的依赖， 而无论它们是长时记忆的 还是短时记忆的。据此 Baddeley 得出几点结论：（ 1 ）被试能快速依据表面意义判断清晰度；（2）这种判断反映了工作记忆与长时记忆因素的结合；（3）现在的模型不能解释这种信息结合的方式；（4）这个过程不仅反映了在长时记忆中的搜索过程， 也明显反映出人类能用新的方式组合表象来创造， 如打冰球 的大象，这样的表象是在现实生活中见不到的。最后， 因此假设中央执行系统没有存储能力，使得现行的模型不能解释工作记忆的个体差异问题， 而这是现在研究的热点问题。 Daneman 和 Carpenter （1

21、980 ，1983 ），采取一种宽泛的假设，认为工作记 忆的功能是同时加工和存储信息，并设计了一种技术称作工作记忆广度（ working memory span ）。要求 被试阅读并判断一句或几个句子， 记住每句话的最后一个词， 最后再系列回忆这些单词。 研究发现工作记 忆广度与阅读理解相关，这种技术已被广泛地应用于许多研究中（ Daneman 和 Merikle ， 1996 ）。进一 步研究发现句子广度与很多任务相关，从语义分类生成（ semantic category generation ）到计算机编程 或电子学技能的获得速度（Engle ，1996 ）。 Kyllonen 和 Chr

22、istal （1990 ）提出工作记忆广度实际上等同于一般智力测量， 并且与智力测量中常用的推理任务相比它较少受到先前学习经验的影响， 有其优势。 但 是尽管已证明工作记忆广度不失为一种有用的工具， 但到目前为止， 还没有对其组成过程的研究。 唯一的 例外来自 Engle 的研究。他的典型观点是用单一完整的能力来解释工作记忆广度，如抑制能力（ Conway 和 Engle，1994；Engle ，1996 ）。 Engle 的研究证明高低广度的被试采用的是不同的策略，这就对把工 作记忆广度作为一种稳定的测量指标是否明智提出了质疑（ Conway 和 Engle ，1994 ）。同时，神经心 理

23、学的研究也提出了问题， 有证据表明， 工作记忆广度可能反映的是一系列子成分的运行， 而不是单一的 加工或抑制能力库（ Waters 和 Caplan ，1996 ）。但是，无论对它的解释如何，工作记忆广度无疑抓住 了一项重要的认知能力。然而，工作记忆广度的研究成果仍不能与工作记忆模型联系起来。以上所有问题都可归结为一点， 那么就是对来自两个子系统和长时记忆的信息进行主动地保存和操作 的需要。为了解决这一问题， Baddeley 于 2000 年，对原有的三成分工作记忆模型进行了调整，提出了 新的第四种成分 情节缓存 （the episodic buffer）（ Baddeley ， 2000a

24、 ）。3 2 情节缓存 及新的工作记忆模型情节缓存被定义为用多种方式进行编码的存储系统， 在感觉上它是情节的， 保存整合过的情节或情景； 功能上， 它是一个缓存器， 为来自用不同方式编码的系统间的信息提供了容量有限的交汇地。 它承担的一 些功能是 1974 年 Baddeley 和 Hitch 隐含地指定给中央执行系统的。但是，现在认为中央执行系统是一 个纯粹的注意系统，它作用已经超出了记忆功能（ Baddeley 和 Logie ，1999 ），而情节缓存在性质上是 一个纯粹的记忆系统。 从情节缓存中提取信息要通过意识觉察， 因为情节缓存所具备的捆绑功能一般认为 是意识的主要生理优势。这样一

25、来，多种来源的信息就可以得到同时的加工，从而创设了一个环境模型， 操作它能解决问题，计划行为（ Johnson-Laird ，1983 ）。那么，情节缓存怎么来解释前面我们提出的问题呢？对文章回忆的解释基本上与 Ericsson 和 Kintsch （ 1995 ）提出的长时工作记忆（ long-term working memory ）相近。理解一段复杂的文章要激活长时记 忆中的表征， 利用长时记忆使组块化更容易进行， 把这些表征整合成一个新的情节结构。 这个新结构保存 在缓存器内， 并通过运用注意有限的执行过程进行维护。一般这会导致新结构在长时记忆中登记、 巩固和加强。 然而， 对深度遗忘

26、病人来说这种学习却不会发生，结果是一旦执行过程指向别处， 这种结构就消失遗忘了。短暂地维持这种结构的能力不仅反映了缓存器的功能，也反映了子系统和中央执行系统的能力。 三个系统都保存完好的遗忘病人少见但确实存在， 这些人就会表现为即时回忆成绩很好， 而延时回忆很差（Baddeley和Wils on , 2000 ）。对正常被试，工作记忆广度正好反映了他们的工作记忆的容量。修改后 的多成分模型见图 3 。图3:新的工作记忆模型通过两面个子系统和新提出的情节缓存与长时记忆(LTM )相联结(Baddeley , 2000a )这个模型与前面b的模e型主要有两点不memory st第一，在两个子(系统

27、与语言和h视觉长，时记,56间有了明)确的联 系。这方面的证据主要来自语言方面(Baddeley , Gathercole和Papagno , 1998 )，一般认为类似的视空间联系过程也同样存在。视觉语义(Visual sema ntics )是指非语言的语义信息的逐步积累的结果，如物品的类型颜色或某种动物或某人运动特点，还有物理和机械世界的难以用语言表达的知识。这种信息过程是双向的，两个子系统为相对应的长时工作记忆领域提供信息，同时也得到语言和视空世界的知识的支持，使得像假词这样各种类似真实物品的模式更容易被识别。第二，当然就是情节缓存。它能联结来自长时记忆和两个子系统的信息。但在两个子系

28、统和缓存器之间没有直接的连线是基于这个最初的假设，即信息的这种转换关键在中央执行系统。不过，随着研究的深入，这种连线也许会出现。3 . 3新的争议情节缓存，作为工作记忆模型的第四个成分，它的提出当然也会引出一系列的争论。如现在的模型与其它文献中的类似模型有什么不同？它有神经心理学的可信性吗？最为重要的是怎么才能验证呢？针对 这些疑问，Baddeley给出了一些他的答案。他认为，这个模型不同于TuIving的"情景记忆” (episodic memory )，因为它指的是暂的存储结构，而后者指的是一种长时记忆，尽管两者联系紧密。它也不同于Ericsson和Kintsch ( 1995

29、)提出的长时工作记忆，指的是一种独立的短时系统与早期的三成分模式联结起来。在神经心理学水平上，尽管人们普遍认同额叶在协调功能上起着重要作用，但目前仍很难验证它具有独立的解剖定位。 不过Prabhakaran，Narayanan，Zhao和Gabrielli在2000年进行的fMRI研究中得出 的结论，认为确实存在另一个用以短暂储存整合信息的机制，主要定位在额叶，但仍需要大量证据的支持。Baddeley等人试图在实验水平上探讨情节缓存，为此发展了一种测量其容量的方法，叫做限定性句 子广度(constrained sentence span )，它要通过语言、语义和视空间信息结合提高成绩。测量中所

30、选用的句子用的是一致不变的句法结构， 通过从限制的集合中重复抽取词来增加句子长度， 这样做的目的与传 统广度测量一样， 是为了尽可能降低长时记忆表征的消极启动造成的影响。 所有句子采用的都是主动 宾结构，长的句子是增添了形容词和副词。例如，四字句（排除功能词）是“ Peter cleaned the new car. “八字句是“ John the angry lawyer instantly borrowed the red book from Lucy.”最初的研究显示，在这种情况下，被试的广度确实表现出差异，一般差距在 5 到 10 个单词，并且这 一测量结果在一系列实验中表现得相当稳定（ Baddeley 和 Turk ，2001 ）。实验中，要被试回忆限定长度 的句子或单词表， 同时还要完成干扰任务， 干扰任务有三类用以破坏语音回路、 视空间模板或中央执行系 统。 结果表明限定性句子广度对同时的视空间任务敏感， 特别对中央执行任务敏感， 而无关词表回忆则受 到发音抑