关于人类工作记忆系统的研究

    工作记忆（working memory）是一种对信息进行暂时性的加工和贮存的能量有限的记忆系统，这一概念最早由Baddeley和Hitch于1974年在分析短时记忆的基础上提出的，随后 Baddeley（1986年、1992年、1996年）将其进一步完善。大量研究表明，工作记忆对于语言理解、学习、推理、思维等认知任务的完成起关键作用。Baddeley从实验心理学和神经心理学角度以大量实验论证了工作记忆的存在，并提出了工作记忆的认知结构模型，认为工作记忆包括一个中央执行成分（the central executive）及两个缓冲区——“语音环”（PhonoiogicallooP）与“视觉空间模板”（visuospatial sketch Pad）。这一研究引起了人们的广泛注意。有关工作记忆的神经生物学基础研究最初分别在猴等灵长类动物和局灶性脑损伤病人各自独立展开，两者相对独立，但如果没有功能更强大的元创性神经影像技术的出现，上述研究可能还处于临床上对各种病例材料的积累和收集阶段。自1990年以来，由于正电子发射断层扫描（PositronEmissonTomograghy,PEY）技术的进一步成熟，以及功能磁共振成像技术的产生（参见刘昌和翁旭初，1999年；Wenq等，1999年），这方面的研究开始从临床上对各种病例的观察研究阶段进入到主要以正常人为对象的研究阶段。

    目前的研究表明，工作记忆并不是单一的系统，而可能存在多个，它们分别用于加工处理不同种类的信息。双分离（double disciation）原理可作为解决这一问题的逻辑前提。它最初开始应用于实验心理学的研究，其理论假设是：若一因子影响A任务而非B任务，另一因子影响B任务而非A任务，则这两个任务存在不同的加工机制。这一原理应用于神经心理学有关脑损伤病人的研究，则可表述为另外一种形式：若一病人不能顺利完成A任务，另一病人不能顺利完成B任务，已知任务A只与脑区a有关而与脑区b无关，任务B与脑区a无关而只与脑区b有关，则这两个任务存在不同的脑加工机制。类似地，这一原理应用于神经影像学研究可表述为：若A任务只引起脑区a而非脑区b的神经活动变化，任务B只引起脑区b而非脑区a的神经活动变化，则这两个任务存在不同的脑加工机制。

    上述双分离原理为我们分解人的复杂心理过程提供了依据。但是，不论在心理行为学、神经心理学还是在神经影像学领域，并不存在绝对意义上的双分离。例如，一种实验条件对A任务影响比对B任务的影响程度更大，另一实验条件对B任务影响比A对任务的影响程度更大，在这种情况下，完成这两个任务的心理加工过程可能存在一定程度的共同环节，但是两者肯定不是相同的。一般认为，若从多个不同角度观察到两个系统之间存在双分离，则可认为这两个系统之间存在相对独立性。

    基于这一点，目前心理行为学、神经心理学以及神经影像学在关于人类工作记忆的研究方面已积累了大量证据，发现至少存在两种类型的工作记忆系统，即词语工作记忆（verbal Working memory）和空间工作记忆（spatialWorking memory），它们分别负责处理词语信息和空间信息。下面我们首先从神经心理学的研究开始叙述。

    Basso等（1982年）报告过对一则病例的研究结果。患者PV是一名28岁的女性，右利手，5年前中风，脑受损，面积很大，扩展到脑左半球语言功能区的前后，她不能重复刚听到的句子。进一步测验其词语记忆和空间记忆，词语记忆测验是让被试读完不同长度的随机数字（或字母、单词）串后并按原来的顺序背诵出来，空间记忆测验则是让被试看完一系列随机出现的外观相同的一组物体后再将它们的排列顺序重复出来（称为Corsi－blocks测验）。研究表明，PV的词语工作记忆受损，但空间工作记忆能力正常。Hanley等（1991年）报告的一则病例其表现正好相反。患者ELD是一名55岁的女性，右利手，其脑右半球中央有一脑动脉瘤，导致6年前打sylvian沟出现血肿，测验结果表明该患者的空间工作记忆能力严重受损，但其词语工作记忆能力正常。

    研究还发现，PV和ELD的工作记忆能力缺陷并非由于其编码词语或空间材料的能力缺陷引起。例如PV的语音分辨音韵判断以及单词的理解能力均正常，其词语项目的长时记忆能力也正常，表明其工作记忆能力受损具有特定的选择性；ELD能正常辨认物体图片以及判断面部表情，其空间记忆能力受损影响了其长时记忆和新的视觉刺激材料的学习，但这一缺陷显然不是由于知觉编码问题。

    在对临床病例的研究中，由于不能确定患者的工作记忆能力缺陷究竟是由于一般性的知觉编码受损还是工作记忆本身的专一性受损，从而使研究结果缺乏明确的说服力。例如：Wang和Bellugi（1994年）研究了两组分别患有威廉斯氏综合症（Williams Syndrome）与唐氏综合症（Down Syndrome）病人。这两组病人皆由于异常遗传导致神经发育不正常，从而使智力发育迟缓，其中威廉斯氏综合症病人的语言功能保持相对完好。Wang和Bellugi（1994年）研究了这两组病人的工作记忆能力，测验其词语记忆和空间记忆，发现威廉斯氏综合症病人的数字广度成绩比唐氏综合症病人要好，而唐氏综合症病人的空间记忆成绩比威廉斯氏综合症病人好，两组病人在两种任务的操作上表现出明显的分离。但这一研究并不能明确说明两种工作记忆是否存在分离。

    显然，PV和ELD这两个病例为分离词语工作记忆和空间工作记忆提供了较为明确的证据，而且还初步揭示出这两类工作记忆的脑机理。PV的脑损伤位于左半球而ELD的脑损伤位于右半球，且这两个病例的脑Sylvian沟均在受损范围，表明词语工作记忆与左半球有关，而空间工作记忆与右半球有关。但要作出更进一步的阐明当然还不够。而且有可能，病人的工作记忆能力缺陷可能与脑区受损面积有关，或者该脑区受损引起相应心理能力障碍后，进而导致下一步加工功能障碍，因此若能提出其他方面的证据将使上述结论更具有说服力。

    JonideS和Smith等人近几年以正常人为对象，利用PET对工作记忆进行了一系列研究（JonideS等， 1993年； Smith等， 1996年）。他们借用  Stemberg于1966年研究记忆扫描的项目再认范式（ itemrecognitionparadigm）设计了不同类型的工作记忆任务。图 1是他们设计的词语工作记忆和空间工作记忆任务。首先，在视屏中央呈现“＋”字500毫秒，然后在十字周围出现四个大写字母或三个黑点200毫秒（称为目标刺激）,随后间隔延迟3000毫秒，最后出现一个探测刺激——小写字母或圆圈1500毫秒，要求被试判断该小写字母是否与前面呈现过的四个大写字母中的任何一个匹配，或者圆圈是否圈住了前面呈现过的三个黑点中的任何一个。被试进行上述任务时同时接受PET扫描。注意，在词语记忆任务中，让被试比较小写字母与大写字母是为了使被试必须对字母的语音进行表征，以免被试仅从字母形状作出判断。该实验中所有被试均为右利手。

上述任务除了需要工作记忆参与，还包括被试感知编码刺激（字母和黑点）以及作出反应等其他一般性的操作过程。因此，PET扫描数据所反应的脑激活信号不仅包含工作记忆所激活的神经信号，而且还包含感知刺激以及作出反应等心理活动所激活的神经信号。为了排除后者，实验还设计相应的控制任务（图1）。它与记忆任务类似，区别仅在于当目标刺激呈现完毕立即呈现探测刺激，不存在延迟，所以该任务只需要被试感知刺激以及作出反应等一般性的操作过程，没有记忆参与或对记忆资源的需求量极少。这样，当从记忆任务条件下所获得的脑激活信号排除控制任务条件下所获得的脑激活信号后，得到的仅是工作记忆的脑激活信号。

    首先对被试完成上述任务的行为学指标进行分析，观察到被试完成词语记忆任务和空间记忆任务的正确率分别为  90％和84 ％，而相应控制任务的正确率分别为91 ％和100％。对PET扫描数据的分析表明，词语工作记忆主要激活了脑左半球一些脑区，包括左顶后皮层布洛德曼（Brodmann Area， BA）40区、Byoca区（BA 44）、左前运动区（BA6）以及左辅助运动区（BA 6），而空间工作记忆主要激活了脑右半球一些脑区，包括右顶后皮层（BA 40）。右枕前皮层（BA 19）、右前运动区（BA 6）以及右脑前额叶腹侧（BA47）。需要指出，Smith等（1996）上述关于词语工作记忆的研究与Pdulesu等（1993）关于词语工作记忆的研究所采用的词语材料有所不同，但结果是类似的。词语工作记忆主要由左半球参与，空间工作记忆主要由右半球参与，且两种记忆条件下所参与的脑区没有重运，不仅为词语工作记忆与空间工作记忆的双分离再次提供了明确的证据，支持大脑两半球功能不对称性的观点，而且对前面神经心理学研究结果作出了进一步的解释。

    Smith等（1994年，1995年）通过实验进一步发现，可能还存在一种与上述两种记忆不同的另外一种工作记忆——他们称之为客体工作记忆（Object working memory），客体指一些不熟悉的物体图形如几何图形、陌生面孔等。Smith等（994年，1995年）以一些抽象的几何图形作为刺激项目，采用上述项目再认实验模式研究客体工作记忆，观察到左半球预叶、顶叶以及额叶的一些脑区参与（与参与词语工作记忆的脑区没有重叠），但已Courtney等(1997年）观察到左右脑各区同等参与。Ungerleider等（1998年）认为左右脑各区参与客体工作记忆的程度依赖于被试对刺激项目的熟悉性以及对客体刺激采用何种形式的编码。例如，当鼓励被试时不熟悉面孔采用词语编码时，所激活脑区的左脑一侧化更明显。当鼓励被试对不熟悉面孔采用图像编码时，所激活脑区的右脑一侧化更明显。Jiang等（2000年）还采用事件相关fMRI（eventreted  fMRI）进一步分析了面孔识别过程中熟悉性程度与相应各激活脑区神经信号强度的关系。显然，客体工作记忆的脑活动机理是一个需要大力研究的领域。    上述研究表明，至少存在两类工作记忆系统，即词语工作记忆和空间工作记忆。从信息加工的过程来看，工作记忆系统中的信息加工可分为三个环节（Smith＆ JOnides， 1998年）：

    （l）信息贮存（storage）过程，其中的信息一般很容易消退；

     (2)信息维持或复述（rehearsal）过程，能重新激活贮存器中正在消退的信息，即不断地重复所贮存的信息；

    （3）执行（executive)加工过程，负责工作记忆系统中信息的控制与协调。

例如：当某人向电话号码查询台得到一新的电话号码并马上拨该号码时，他必须暂时贮存、复述该号码并同时拨该号，这一过程通常需要执行成分参与。在这里，可以对Baddeley（1986年，1992年）提出的工作记忆模型加以重新解释，其中，中枢执行成分可看作执行加工过程，语音环和视觉空间模板可分别看作词语信息和空间信息的加工场所。

主要参考文献

    ①刘昌，翁旭初（1999）：人脑功能磁共振成像及其在认识神经科学研究中的应用》，《生理科学进展》，第30期，第84～90页．

    ②BaddeleyA．（1986）  Working memory． NewYork： Oxford UniversityPress．

    ＠BaddeleyA．（1992）． Working memory． Science， 255，556~559

    ＠BaddeleyA．（ 1996）．  The fractionation of working memory   Proc．  NatlAcad.Sci．USA，93，13468～13472

    ⑤BassoA， Spinner H， Vallar G，＆ ZanobiO ME．（1982）  Left hemiSphere damage and selectiveimpairment of auditory verbal short－term memory：Acase study． NeuroPsychologia， 20，263~274．

    ＠CourtneySM， Unigerleider LG， Keil K，＆ Haxby JV．（1997）．  Tran－slent andsustained activity in a distributed neural system for human working memory． Nature．386．608~611．

    ①HanleyJR，  Young AW，＆ Peaxson NA．（1991）．  Impairment of visuospatial sketch Pad· Quarterly Journal of Experimental Psychology， 43A，101～l25．

    ＠JiangY， Haxby JV， Martin A,Ungerleider lg，＆ Parasuraman R．2000 ）．Complementary neural  mechanisms for  tracking items in human workingmemory．Science，287，643～646．

    Jonides J， Smith EE， Koeppe RA， Awh E，Minoshima S，＆ MintunMA，（1993）Spatial working memory in humans as revealed  by PET．Natue ，  363，623～625．

    ①PaulesuE， Frith CD，＆Frackowiak RSJ．（1993）． The neural correlatesof the verbalcompent of Working memory．Nature，362，342～345．

    ①SmithEE，＆ Jonides J．（1994）． Working memory in humans： Neu－ropsychological evidence. In M．Gazzaniga（Ed．）， The Cognitive neurosciencesCambridge， MA：MIT Press．（该书有沈政等摘译的中译本《认知神经科学》，上海教育出版社，1998）．

    ③SmithEE，＆ Jonides J． （1998）．  Neuroimaging analysis ofhuman Work－ing memory．Proc． Nail． Acad．Sci.USA， 12061～12068． Smith EE，Jonides J，＆  Koeppe  RA．（ 1996）．Diddociation  verbal  andspatial working memory using PET．Cerebralcortex，6，11～20．

      ＠SmithEE， Jonides J， Koeppemp RA， Awh E， Schumacher EH，＆ Minoshima S(1995)．Spatial versus objectworking memory： PET investigations．Journal Of cognitive Neuroscience，7，337～356．

    ①UngerleiderLG，Courtney SM， Haxby JV.（1998）. A neural system forhuman visualworking memory．Proc．Natl． Acad．Sci.USA，95，883～890

    ＠WangPP，＆ Bellugi U．（1994）． Evidence from two genetic syndromesfoy a diddociation betweenVerbal and visualspatial Short-term memory．JournalofClinical and Experimental Neuropsychology， 16，317～322．

    ＠WengX， Ding Y，  ＆ VOlkow ND．（1999）． Imaging the functioning human brain． Proc．Natl．Acad Sci．USA，96，11073～11074．