工作记忆的认知模型与神经机制

1、412心理科学PsychologicalScience2006,29(2):412-414应用心理工作记忆的认知模型与神经机制王益文1,2(1东南大学学习科学研究中心,南京,210096)(2山东师范大学心理学系,济南,250014)3林崇德3(,北京,100875)摘要本文评述了工作记忆认知模型的进展,提出了工作记忆成分结构的脑模型。根据自己的研究探索,以及ERP等脑成像技术的关键词:工作记忆认知模型1Baddeley&Hitch提出的工作记忆模型包括语音回路(phonologicalloop)、视觉空间存贮(visuospatialsketchpad)和中央执行系统(centralexec

2、utive)三个成分1-3,该模型产生了较大影响,但也逐渐暴露出一些问题。Baddeley在2001年提出了修正的新模型4(见图1),分为三个层次,第一层是中央执行,完成最高级的控制过程;第二层是三类信息的暂时加工。他提出了辅助中央执行的第四个子系统情节缓存(episodicbuffer),新模型包括了视觉空间存贮、情节缓存和语音回路三个辅助子系统;第三层是长时记忆系统,包括视觉语义、情节长时记忆和语言。第一二层属于流体系统(fluidsystems),第三层是晶体系统(crystallizedsystems)。该模型强调工作记忆和长时记忆之间的联系以及各子系统信息整合的加工过程。任务条件下的

3、各种被试的大范围数据很有价值。这是该理论最重要的功能之一。第二,从Baddeley和Hitch提出其模型至今,工作记忆研究有了很大进展。对于三个子成分的研究,不论是数量上,还是对结果的解释上,都存在着很明显的不均衡性5。最简单的语音回路研究最多,对于视觉空间存贮的研究虽然存在困难,但由于一些研究者在探索支持视觉表象的因素,所以这类相关研究为视觉空间存贮的研究提供了不少有价值的成果。对中央执行系统的研究较少,这可能是由于中央执行系统研究难度更大。第三,工作记忆模型仍然存在缺陷,最初认为执行控制是一个前额叶皮层支持的独特认知模块,该模块或系统的损伤准确地描述了前额叶皮层损伤病人的某些行为。单一系统

4、的中央执行系统对于工作记忆初期的探索是一种明智的方法,因为这样可以使研究先集中注意于分析较简单子系统,如语音回路、视觉空间存贮等。但是这样一来,中央执行系统的角色就像是头脑中的“小矮人”,他在人的头脑中以神奇的方式做出各种决策,但是其具体结构、功能和运作机制,目前知道的还很少。Smith等认为,或许确实存在着多种中央执行系统的可能性,而不仅仅是多种缓冲器6。Baddeley等也提出中央执行系统不是作为一个单一的模块而活动,可分为多个子系统7。最后,需要说明的是,工作记忆认知模型对构建相关脑成像研究具有重要影响,其概念影响了脑成像研究对前额叶皮层功能的探索。下面阐述模型框架下工作记忆神经机制的基

5、本问题和脑模型。2工作记忆神经机制的基本问题工作记忆神经机制的研究存在一些基本问题。如工作记忆的特征是否统一?不同的信息是否采用不同的工作记忆?或者说工作记忆是模块化的吗?前额叶皮层(PrefrontalCortex,PFC)对于暂时性存贮信息的加工非常重要,人类前额叶在工作记忆中是功能细分的吗?工作记忆任务以什么方式激活PFC背侧和腹侧部位?是否存在特殊针对工作记忆特定方面的功能细分尚无一致性的明确答案。DEsposito认为至少有四种假设8,可以概括前额叶在工作记忆中如何操作的神经结构模式。第一,PFC作为一个整体参与所有工图1Baddeley修正的工作记忆多成分模型已有研究提供了检验、批

6、判和补充工作记忆模型的证据,在此评价该模型的作用和功能。第一,多成分工作记忆模型意在弄明白在执行复杂认知加工中信息暂时存贮和保持的方式。它强调结构而忽视加工过程,并非受到一致赞同。但经过了多年的研究,它已成为一个系统性地积累关于重要认知能力知识的成果卓著的基础平台,对解释来自丰富国家攀登计划项目(95-09),江苏省博士后科研资助计划项目。通讯作者:王益文。E2mail:wangeven王益文等:工作记忆的认知模型与神经机制413作记忆加工,从复述等简单的保持加工到提取、重排序、空间转换等较复杂的操作,PFC后部区域分散表征指导这些加工。第二,无论什么操作,存在不同的PFC区域参与对不同类型信

7、息表征的暂时性存贮。第三,不管表征的类型,存在不同的PFC区域支持不同的加工过程(如保持和操作,Main2tenancevsManipulation)。第四,不同的PFC脑区负责不同类型的操作和不同类型的表征。许多人类脑成像研究对这些理论假设进行了验证和解释。对于上述DEsposito的第二种假设,如果确实存在着Baddeley提出的独立的言语、视觉和空间信息的缓冲器1,那么可能这些缓冲器受大脑不同结构所支配,觉、听觉、触觉等,同的工作记忆;第二,腹侧系统调节客体信息的知觉,背侧系统调节定位知觉9,这也说明与客体识别有关的视觉信息和与客体的空间定位有关的视觉信息可能有不同的工作记忆。但工作记忆

8、中信息的加工在大脑皮层中是如何组织的呢?是额叶背腹侧分离,还是左右脑单侧化?是根据信息类型(词语、客体与空间),还是加工类型(保持与操作)分离?根据已有的研究发现,Bad2deley描绘了工作记忆模型各成分的粗略皮层定位(见图2)10。中央执行(CE,central)位于BA9/46区;语音复述(AR,articulatory)Broca区(BA6/44区)等(IS),位于右半6/区等;(,phonologicalstore)位于VC,visualcache:storage)位于BA19区2中与每一成分相联系的功能并不是代表所示的唯一功能,这些标示也不代表与这一特定功能相联系的所有脑区。例如,

9、中央执行可能需要一个包括背侧前额叶皮层在内的多重脑区的功能协作网络。图2工作记忆各成分的脑区映射模型3工作记忆成分结构的脑模型Smith和Jonides整合他们关于工作记忆各成分的研究得出如下结论11间信息右半球单侧化。空间信息的缓存部分位于右顶叶后部,其复述加工通过包括前运动区在内的右侧额顶回路实现。客体信息通过左侧颞叶下部和顶叶后部区域实现,尚无明确证据表明客体信息存贮与复述的分离。词语信息的缓冲存贮激活左顶叶后部区域,其复述加工受Broca区、左侧前运动区和补充运动区组成的额叶皮层回路调节。客体信息保持激活左腹侧PFCBA47区,空间信息保持激活右腹侧PFCBA47区。空间信息:第一,工

10、作记忆系统存在加工空间、客体和词语信息的不同成分,空间工作记忆多定位于右半球,词语工作记忆多定位于左半球。第二,词语工作记忆负荷参量任务表明,有关成分随着记忆负荷的增加表现出某些活动的增多,而与工作记忆无关的大脑部位未表现出这种记忆负荷效应。而且,记忆负荷敏感区与非敏感区激活的时间进程不同。这表明前额叶皮层的不同部位负责工作记忆可分离的加工成分。第三,至少在空间和言语工作记忆中存在可分离的成分负责信息的被动存贮和主动保持。存贮成分定位于大脑后部,保持成分定位于大脑前部。Smith和Jonides提出了工作记加工成分结构及功能定复述激活右侧顶叶上部皮层区域,其存贮激活枕叶皮层和颞叶下部皮层,可能

11、与视觉缓冲存贮区对应12。执行加工操作工作记忆中保持的信息,对工作记忆中的信息进行编码、刷新、转换和监控等,激活背外侧PFC。该模型综合了许多工作记忆脑成像的研究成果,简明清晰且较为系统地呈现了工作记忆的结构成分及其参与脑区13。但该模型有几个方面需要强调或说明一下。首先,该模型主要论述了工作记忆信息保持的脑机制,对执行加工的解释过于简单化。其次,该模型认为,即使输入的词语信息是视觉表征,词语工作记忆的全部输入也是严格按照语音加工的。视觉与听觉信息表征的词语工作记忆在输入上的差异一旦被减去,在激活上将没有区别14。最后,该模型包括知觉系统和记忆表征两层成分,区分了知觉系统创建的初始位模型11。

12、如图3所示该模型认为,任何视觉输入都可根据信息的类型进行编码。空间信息通过“where”枕顶通路输入,客体信息通过“what”枕颞通路输入。而视觉输入的言语符号可以从视觉表征转换为语音表征。因此,输入到工作记忆中的信息就有三类空间、客体和词语信息。三种不同的工作记忆子系统分别处理这三类信息,词语和空间保持分为缓冲存贮和复述加工两个功能,词语信息左半球单侧化,空414心理科学空间(客体)表征和随后在短时缓冲区中保持的空间(客体)表征。Smith和Jonides假设,对于空间和客体信息,知觉和记忆表征通过相同的神经区域实现。如右侧顶叶后部区域实现空间缓冲区,这一区域同时也参与空间知觉;左侧颞叶下部

13、区域参与存贮客体信息,而该区域在客体知觉中也起作用15。但是,这些发现不是根据同一实验内的比较得出的,结论尚不十分确定。如果被试内的实验研究能够表明知觉和短时存贮表征是受相同区域调节的,该工作记忆模型就可以不再区分知觉和记忆表征。:(右半球单侧化):(右半球单侧化):左侧颞叶下部和顶叶后部区域词语存贮:主要在顶叶后部(左半球单侧化)词语复述:Broca区、前运动区和补充运动区(左半球单侧化)执行加工:背外侧前额叶皮层图3工作记忆加工成分结构及其功能定位4问题与展望工作记忆是认知活动的关键环节,对长时记忆的形成、知识获得和信息利用等具有举足轻重的作用,成为认知神经科学的核心问题和研究热点。关于工

14、作记忆的研究仍有许多悬而未决的问题,进一步研究关注工作记忆中加工不同词语(如汉字)的大脑动态加工进程16;描述执行控制动态加工与策略的神经机制17;探讨工作记忆与长时记忆脑功能的关系18等等。在脑成像方法方面,结合运用fMRI与ERP技术可以提供高时间和高空间分辨率的理想实验条件。脑成像研究能够得到执行某一认知活动时大脑某些区域激活的结果,但不能由此得出这一认知活动与特定大脑区域之间必然存在因果关系的结论。经颅磁刺激(TMS)可以在一定时间内产生一种定向强磁场,干扰甚至阻断大脑某一具体部位的神经活动,使该区域产生一种暂时性的“工作障碍”,在实验中模拟精确定位的“损伤研究”。至今为止,TMS与E

15、RP/fMRI的结合运用可以得出较高科学性、可靠性的认知活动与大脑部位的因果联系,成为是探索认知活动神经机制的“利器”。同时具有高时间和高空间分辨率的仪器在不久的将来也许会投入到科学研究,认知神经科学方法技术的发展19提供了准确记录脑活动的“透视眼”,必将推动工作记忆认知模型与神经机制的研究进入新阶段。北京大学出版社,2000:431-4416SmithE.,JonidesJ.人类的工作记忆:神经心理学的证据。Gaz2zanigaMS主编(沈政等译).认知神经科学.北京:北京大学出版社,2000:696-7097BaddeleyA.D.,EmslieH.,KolodnyJ.,&DuncanJ.

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21、strategicas2pectsofexecutiveprocessing.BrainResearch,2004,1000:78-8418WagnerAD.Workingmemorycontributionstohumanlearningandremembering.Neuron,1999,22:19-2219王益文,张文新.联结主义神经网络及其在心理学中的应用.心理学动态,2001,9(4):368-375(下转第418页)418心理科学ACaseReportofTreatingParanoid2typeSchizophreniacswiththeHypnoticTherapyWangZh

22、ichao(DepartmentofPsychology,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou,510631)LinJuda(AffiliatedHospitalofGuangdongMedicalCollege,)Liu(MentalDiseasesH,)AbstractFromAugust1991,alreadyexperimentallycured23paranoid2typeschizophreniacswhowerehospitalizedorclinictheonlyfeasiblemethod.Theaimoftheexperimentwast

23、oexameifthehypnotictherapywaseffectualto19caseshaveresultedinsuccessand4casesinfailure.Thustheconclusionoftheexperimentisthatthehypnotictherapyisatreatmentinstrumentwithwhichwecancommunicatewiththeschizophreniacs,andthatschizophreniaisakindofpsychogenicdisease.Keywords:paranoidtype,schizophreniacs,hypnoticpsychogenicdisease(上接第414页)TheCogn