工作记忆中的中央执行系统

1、工作记忆中的中央执行系统摘要:中央执行系统是工作记忆中重要的子成分。目前对于中央执行系统的研究逐渐深入和细化，研究工作主要集中于中央执行系统的界定、中央执行系统的功能和中央执行系统神经机制几方面。但在中央执行系统的作用机制、研究方法、以及影响因素等方面仍需要进一步的深入研究。关键词:工作记忆中央执行Baddeley在他最初的工作记忆理论构建(1974)中，提出了工作记忆三成分学说，即语音环路(phonologicalloop)、中央执行系统(centralexecutive)视空间画板(visuo-spatialsketchpad,其中，语音环路和视空间画板两部分被认为是WM的附属系统(Sla

2、veSystem),中央执行系统被认为除了在计划和控制行为上起作用外，还要整合来自于三个附属系统和长时记忆中的信息(Allard,2001)1。Baddeley(2000)又对之进行了完善,补充了一种新的成分,即即情节缓冲(episodicbuffer)，它主要是用来解释当前的工作记忆三成分学说不能解释的内容，另外，episodicbuffer主要内容是有限的能力系统,它能够存储多模道编码中的相关信息,同时将新加入的信息和记忆中的信息进行整合,形成系统化的整合的情节表征2。一般认为,工作记忆中的中央执行系统除了在计划和控制行为上起作用外,还要整合来自于附属系统和长时记忆中的信息(Allard,

3、2001)。然而，近些年来对工作记忆系统的研究中，研究的最少的就是中央执行系统。Baddeley本人(1990)也承认这可能是由于对附属系统进行观察要更为容易一些。许多研究者(e.g.Baddeley,1996;Kiss,pisio,Francois&Schopflocher,1998;Morrisandjones,1990都已经十分确定的提出了该系统在认知过程中的重要性，是工作记忆中的关节组成部分，因此，相关研究人员对该系统项目的研究应该进一步细化和深入。中央执行系统的界定中央执行系统是Baddeley关于工作记忆理论的核心，然而对于中央执行的界定一直是相当难的问题。Baddeley(197

4、4)最早把中央执行描述成“就像一个装碎布的口袋一样，里面塞满了各种复杂的策略p1.2双任务的控制器有的人认为中央执行系统在有对同时操作二种任务方面具有更高的要求，这一点与以前的认为中央执行系统既操作加工也操作记忆，认为需要进行的每一个任务都要进行特定的加工，者可能会导致行为方面的绩效降低(Baddeley,Bressi,DellaSal,Logie&Spinner,1991)，这个理论可以合理的解释同时操作二种或二种以上任务时的作业成绩没有只操作单个任务时的作业成绩好的原因。1.3注意管理系统中央执行系统属于一种注意管理系统，这个思想观点来源于Norman(1986)等人关于注意控制模型中的注

5、意管理系统(SupervisoryAttentionSystem,SAS),但是，因为中央执行系统中并没有保护广泛的SAS，对于很多不确定的任务，Baddeley(1986)表示，中央执行系统能够自动过滤掉执行系统的习惯化反应序列的作用，以这个思想为基础处方，引申出来可以得到中央执行系统负责激活反应计划，与此同时能够发负责计划间转换以保持反应的新异性(Baddeley,Emslie,Kolodny&Duncan,1998)。1.4协调或整合系统这一观点认为工作记忆是一个多重的系统，其中的信息要通过某种方式来保持同步和协调，否则难以形成一致的知觉或表征。中央执行系统作为一个协调装置，对工作记忆的

6、各个子系统起到整合的作用，有许多研究者对之进行了详细研究(Camos,Fayol&Barrouillet,1999;Towse&Hitch,1997;Yee,Hunt&Pellegrino,1991)。中央执行系统的功能Smith和Jonides(1998对中央执行系统的功能做了较详细的划分，提出中央执行系统的功能中包含三种不同的操作，随后又将执行控制细化为以下几个方面：一是任务管理任务管理能够把复杂的任务的具体过程进行合理的排序，在对复杂任务进行排序期间，注意力将不会被改变；二是注意与抑制任务管理会把注意例集中放在相关的信息加工过程上，对没有意义的信息进行适当的抑制；三是监控对存储记忆的相关

7、内容进行监控，从而为下一步内容作出纤细的计划；四是计划利用系统能够作出一系列具体的任务，并且为完成目标任务做好准备工作；五是编码按时间和位置对工作记忆中的表征进行编码。在这五种操作过程中，前两个是最基础的部分，它们之间关系最密切（Smith&Jonides,1999）45。在概念水平上，由于中央执行成分所负责的任务的多维性，很明显需要对WM的中央执行成分进行分解（fractionate）。事实上，通过对脑损伤病人的个案研究,以及一些群体研究已经得出,不同的执行任务间相关很低,并且在统计上并不显著。由此,有人提出了中央执行成分并不是整合的（unitary），需要对之进行分解。已经有许多研究支持这

8、一点，但是对于存在有多少个子成分以及都具有什么特征却没有达成一致（Baddeley,1998。Baddeley（1996）曾提出了把中央执行分解为不同的功能：在同时进行的需要执行操作的两种任务间分配资源（双任务协调）的能力；转换提取策略的能力；选择性的注意一个刺激,并且抑制其它刺激的干扰效应的能力；以及对长时记忆中存储的信息进行保持和操作的能力；此外,还有一种经典的中央执行功能是更新功能（updating）6。Miyake等人（2000）使用潜变量分析,来考察不同的执行功能在多大程度上可被认为是整合的（unitary）还是分离的（non-unitary）。验证性因素分析表明三种常见的执行功能转

9、换、更新和抑制之间是中度相关的，但它们有着明显区别。而且，结构方程模型表明这三种功能在复杂的执行任务中分别起作用，而双任务协调能力则与这三种执行功能不同7。FabienneCollette等人(2001)采用神经成像的方法来考察工作记忆中的中央执行成分，探讨了与中央执行成分相联系的脑机制，并对中央执行系统所包含的功能进行分解，分解为四种功能更新(updating)、抑制(inhibition)、转换过程(shiftingprocess)，以及双任务的协调(dual-taskcoordination)8。更新功能更新机能是执行功能中重要的一种，它是指根据新呈现的信息，对WM内容进行持续修正的能力

10、。这一更新机能要求对新进入的信息进行监控和编码，以使之与当前进行的任务相关；然后再适当的修正WM中的项目，用新的更为相关的信息来代替那些已经不再和当前任务有关的信息。许多研究表明更新功能与BA9区以及BA46/10区有关(Salmon,1996;M.VanderLindenetal)911。抑制功能抑制功能包括较多的内容，笔者分析主要的观点包括以下几个部分：一是为了防止与目标任务无关的信息的介入;二是抑制不符合情景的反应的进入;三是防止存储记忆中不相干的信息的在二次激活。中央执行系统的抑制功能的研究模式主要是stroop任务，hayling任务，WCST,TowerofHanoi(TOH)等。

11、转换过程中央执行系统中的转化过程也是控制过程的比较重要的内容之一，在研究命令的转化过程中，经常以人物转化的模型的来对比和研究，很多已经发现的研究过程不仅仅包括前额的皮层部分，还包括背部的很多区域和癖习区域(Duncan,1997;Rogers,2000;konishi,1998;Sohn,2000;Wilkinson,2001Adcock,2000;klingberg,1998)。中央执行系统的神经基础中央执行系统的研究是从研究阿尔茨海默病人(AlzheimerDisease,AD)的记忆缺失开始的，通常以额叶损伤病人、AD患者、老年人为被试，同时以正常成年人为对照组进行研究。通过比较实验组与

12、对照组作业成绩间的差别来推断CE的一些机制。研究发现额叶损伤的患者在进行计划和组织等需要工作记忆参与的活动上常表现出严重困难，他们不是注意力分散就是不能把注意力从某一任务上转移开。但由于病变范围较广，还不能提示特定的较小区域或细胞的功能。前额叶皮层(prefrontalcorte,PF)是工作记忆的指挥者，参与视觉空间、物体特征、语言等各种类型的工作记忆。人们发现，在CE的定位研究中前额叶皮层也起着重要作用12。Baddeley(1996)虽然承认，中央执行控制可能与额叶活动关系密切，但他对该区域确定为工作记忆的神经机制仍持谨慎态度，因为额叶活动与许多心理过程都有关。然而，Rosen和Eagl

13、e(1997)曾推断，中央执行功能可能定位于额叶，尤其是背外侧前额皮层(dorsolateralprefrontalcortex)。FMRI研究证实了Rosen等的推测，即执行控制与前额皮层有关，其中额叶皮质背外侧与注意资源的分配与协调有关，前扣带回在双任务操作有关13。额叶损伤的患者进行计划和组织等需要工作记忆的活动常有严重困难。并且，他们不是注意力分散就是不能把注意力从一件任务上转移开。由于这些病变范围较广，不能提示特定小区域内或细胞的功能。近来的猴子和人的脑成像研究则提示前额叶皮层46区是计划和注意活动的重要控制者(Fuster,1992),人脑研究也提示了前额叶皮层控制着注意力在两件任

14、务间的转换(DEsposito，1995)14。然而在研究CE定位方面不是很具体，例如：如何处理前额叶皮层存在的具体信息，同时由该皮层不同部位进行分工执行的特点就是该皮层的功能。且在新的研究中，不难发现前额叶损伤的病人当中，尽管表现出短时贮存有下降的现象，但是该现象与控制组中的被试相比较来看，在从事双任务和抑制不相关的信息上都一样的好，而这些研究的发现中，前额叶皮层在所有的执行过程中并不是唯一支持(Andr,P.&VanderLinen,M.,2001)。此外，还有研究得出额叶受损也可能表现出正常的执行操作。同时，在对CE的地位工作中，选用FMRI技术进行研究，在研究中发现，FMRI技术尽管可

15、以将附属系统定位确定在前额叶皮层中，但是在前额叶皮层中不是每一个的附属系统定位都可以精确的出来，同时，CE定位的证据是FMRI技术所不能得出的(Allard,2001)。根据提示我们可知，在现今我们所发现的解剖位置中，中央执行系统的地位可能存在不局限于该位置，其中它的神经机制显示的更加复杂。结语与展望在Baddeley和Hitch(1974)的工作记忆模型中，中央执行系统成分最开始被用来避免模型要解释众多超出短时记忆问题范围外的现象的。尽管CE做为注意的组织者或意图的规划者在实验室任务中，已经能够解释一些方面，但对于CE是如何组织，如何起作用，甚至是不起作用遵循如何的机制等问题目前并没有得到详

16、细的论述。MayJ等人提出应对WM模型中加工和存储资源之间进行区别，并对CE如何与附属子系统相互作用提出了二种可能的观点。(1)附属子系统可能只是存储机制，只是被动地接受从CE来的特殊表征形式，保存它，然后返回到CE去加工；(2)每一个子系统都存储知识的运用和变化。附属子系统可以活跃地加工或修改自身的表征，组织并精细地说明内容。Barnard(1985，1999)曾提出一个相互作用认知子系统(ICS)模型，强调了在不同表征水平间心理资源的流动，以及在每一个认知子系统内而非彼此之间竞争加工资源。ICS在考虑了所有子系统内部机能以及关于二个主要的子系统间信息的交换方面，较之原始的WM模型更为详细，

17、区分了原来的模型所未区分的加工和存储。但这一模型由于对传统任务的解释具有宽容性，因而不够精确。对中央执行系统的功能研究已经非常细化，而且对于不同功能相对应的神经机制也有探讨。由于现有的工作记忆模型是一个纯功能的模型，这就使得对于各子成分的功能的研究显的尤为重要。尤其是在现实生活中不同的高级认知活动中，中央执行系统如何发挥不同的功能，这些不同的功能又如何得到进一步的增强，都需要进一步的研究。由于中央执行系统对于许多认识任务的操作都存在影响，所以现在对于中央执行系统与其他影响因素的关系，目前研究很少。有人研究得出执行机能与年龄有关，一般而言，CE与年龄关系密切，随年龄增长，中央执行控制功能降低。还

18、有研究表明CE功能与人格有关。Lieberman,M.(2000)的研究发现，内向和外向的人，在工作记忆的执行成分上可能不同。他采用Sternberg(1995的记忆扫描范式(memoryseanningparadigm，结果发现在对工作记忆中的内容和外部的靶子间进行比较时，内向的人要慢于外向的人15。此外，对中央执行系统的研究中，除主要采用认知方法研究CE的各项认知及神经机制外，还采用人类的电生理学记录，如ERP;神经成像方法，如正电子发射层描术(PET)、功能性核磁共振成像(FMRI)等(DEsposlto,1995;KalinaChristoff,1999;FraneiseoBareel

19、o,2001;KimM,Cornishet.al,2001);还有计算机辅助的方法(eomputer-assistan)t等等16。在实际的实验研究中，常常不只是采用一种方法，而是将二种甚至二种以上方法相结合。许多研究者已经提出应该同时从认知心理学、神经心理学以及神经成像的角度来考虑。运用多种研究方法使中央执行系统的研究更为深入，为工作记忆研究的进一步扩展提供了保障。参考文献BaddeleyAD.Workingmemory.Science,1992,255:556-559.BaddeleyAD.Theepisodicbuffer:anewcomponentofworkingmemory?Tre

20、ndsincognitivesciences,2000,4(11):417-423.JohnNTowse,CarmelMT,Houston-Price.ReflectionsontheConceptoftheCentralexecutive,Workingmemoryinperspective,(Chapter11)2001,writtenbyJackieAndrade,NewYork,NY,10001.SmithEE,JonidesJ.Neuroimaginganalysisofhumanworkingmemory.PreceedingsofNationalAcademyofSciences

21、,1998,95:12061-12068.SmithEE,JonidesJ.Storageandprocessesinfrontallobes.Science,1999,283:1657-1661.BaddeleyAD.Thefractionationofworkingmemory.ProceedingsofNationalAcademyofSciences,1996,93:13468-13472.MiyakeA,FriedmanNP,EmersonMT,WitzkiAH,HowerterA.Theunityanddiversityofexecutivefunctionsandtheircon

22、tributionstocomplexfrontallobetasks:alatentvariableanalysis.CognitivePsychology,2000,41:49-100.ColletteF,VanderLindenM.Brainimagingofthecentralexecutivecomponentofworkingmemory.NeuroscienceandBiobehavioralReviews,2002,26:105-125.MorrisN,JonesDM.Memoryupdatinginworkingmemory:theroleofthecentralexecutive.BritishJournalofPsychology,1990,81:111-121.SalmonE,VanderLindenM,ColletteF,DelfioreG,MarquetP,DegueldreC,LuxenA,FranckG.Regionalbrainactivityduringworkingmemorytask.Brain,1996,119:1617-1625.VanderLindenM,ColletteF,Salmon