儿童执行功能的主要成分分析

儿童执行功能的主要成分分析

1执行功能结构与各子功能的分离执行功能是一项复杂的系统，用于协调不同认知组件的执行过程中的不同认知组件，主要包括目标定位行为、绩效管理、工作记录、计划、监控等。其中，注意力、抑制和工作记录是最基本和核心的因素（smith.jurand，1999；miyake等人，2000）。执行功能是与前额叶皮层(PFC)密切相联的,而学龄期儿童的前额叶皮层发展十分迅速,并且大量的研究结果表明,3岁可能是执行功能发展的关键期,其中抑制能力的发展尤其迅速(Suchy,2009;Huttenlocher,1990;Thatcher,1992;Carlson&Moses,2001;Diamond&Taylor,1996;Kochanska,Murray,&Harlan,2000)。抑制是对自主优势的反应进行有意识控制的能力,即指抑制不符合当前需要的或不恰当行为反应的能力,并做出合适的选择性反应(王琰,蔡厚德,2010)。然而,其它子功能是否也如抑制能力一样,在学龄前期就已快速的发展,并开始独立发挥作用还不得而知(Garon,Bryson,&Smith,2008)。只有对幼儿执行结构有一个清晰的认识,才能更深刻地理解执行各子功能基本的加工过程,也才能为了解执行各子功能的发展轨迹提供更为清晰的认识(Hughes,2002)。目前,关于幼儿执行功能结构的认识却存在争论。“多元论”观点认为,学龄前儿童的执行功能结构是可以分离的,即抑制和工作记忆在这一时期已开始各自独立的发挥作用。比如:Hughes(1998)研究学龄前儿童的执行功能结构发现可抽取出三个可分离的因素——认知灵活性,抑制,以及工作记忆。并且根据学龄前儿童在一些执行功能任务上的表现,证实了早在学龄前期,抑制和工作记忆能力就存在分离的趋势。这个结论得到了后续研究的间接支持,如Espy等人(1999)通过探索性因素分析对“A-not-B”任务和抑制、工作记忆任务的表现进行分析,结果分离出了四个因子,其中抑制和工作记忆各自成为独立的因子。而后,Senn,Espy和Kaufmann等人(2004)同样用路径分析证实抑制和工作记忆在学龄前期就可分离。“整体论”观点认为,学龄前儿童的执行功能结构是不可以分离的,即抑制和工作记忆共同发挥作用。Best和Miller(2010)在其综述中描述了一个包括抑制、工作记忆等执行功能的发展性过程,其中指出抑制能力的首次“飞跃式”发展是在3岁到4岁期间(Huges,1998)。而工作记忆能力的首次“飞跃式”发展则是在4岁到6岁左右,但由于前额叶(PFC)皮层的成熟需要一个漫长过程(Benes,2001)。因此,就学龄前儿童的抑制和工作记忆任务的表现来看,更倾向于一个整体性的加工过程,即抑制和工作记忆共同发挥作用(Best&Miller,2010)。随着年龄的增长,两种功能才逐渐分离。有新的研究表明,这种分离更可能出现在童年晚期甚至是青春期(Romine,&Reynolds,2005;Wiebeetal.,2011)。例如Wiebe,Espy,和Charak(2008)基于Espy等人(1999)的研究结果,以2岁到6岁的243名幼儿为被试,分别构建了抑制和工作记忆两因素理论模型和抑制与工作记忆共同发挥作用的单一因素模型,结果发现数据更为拟合单一因素模型,这个结果又在Wiebe等人(2011)的研究中得到证实,她们选取3岁幼儿作为研究对象同样发现数据更为拟合抑制和工作记忆的单一因素模型。来自脑电(EEG)的研究也表明,4岁半前的幼儿在抑制与工作记忆任务的神经加工之间存在密切联系,被试在抑制和工作记忆任务上的表现是与整个前额叶皮层的激活相关的(Bell,Wolfe,&Adkins,2007)。由于在幼儿执行功能结构的探讨上,存在“多元论”和“整体论”关于抑制和工作记忆能否分离的争论。3岁是执行功能发展的关键时期,在这一年龄期,幼儿抑制和工作记忆是共同发挥作用?还是单独发挥作用?两种功能的可分离性是否能够提前至3岁这一问题在目前还是相当模糊的。而且前人的研究(Wiebeetal.,2011)存在明显的不足:首先,研究采用的某些测查任务用时过长,如该研究采用Go-Nogo任务的测试时间约为10分钟,这样会导致幼儿丧失对于任务的兴趣,以及出现注意力分散等问题。因为被试的疲劳、缺失等因素影响了整个实验的质量。其次,外显观测变量与相应潜变量之间的因子负荷较低(某些任务对潜变量的负荷仅为0.17),汇聚性效度较差。再次,Wiebe等人(2008)的研究是建立在Espy等人(1999)探索性因素分析的研究结果上。而Espy等人(1999)的研究中,由于选取测查工作记忆的任务“不纯粹”,导致最后工作记忆各任务的负荷竟然归于3个因子上。这说明有可能因为任务本身的变异影响了模型的质量。因此,本研究有必要对于数据进行重新的探索性因素分析和对上述问题进行修正,选择具备足够敏感性和更为“纯粹”的测查任务进行对抑制和工作记忆能力的测试。在本研究中,幼儿抑制功能的测查使用“昼夜Stroop任务”、“包礼物任务”和“糖果延迟任务”。“昼夜Stroop任务”是测查幼儿抑制功能的经典任务,该任务要求幼儿抑制口头上的优势反应(如看到太阳说“白天”)而做出合适的选择性行为(如看到太阳说“黑夜”)。此外还有“包礼物任务”和“糖果延迟任务”,都是要求幼儿控制自身对于立即获得奖励的冲动,从而对其抑制能力做评估。工作记忆任务的核心特征是在意识中保持信息以指导后续的行为(Baddeley&Hitch,1974),幼儿工作记忆的测查采用“Beads”任务、“数点数任务”和“找贴画任务”。“Beads”任务为幼儿呈现不同颜色和形态的几何图形,通过呈现单个图形或多个图形的组合,考察幼儿是否在意识中保持对各种图形或组合的信息,从而成功地再认出相应的图形,“数点数任务”通过点数再认的方式来评估幼儿的工作记忆能力,“找贴画任务”则是通过物体搜索范式来考察幼儿的工作记忆能力,任务要求幼儿不断刷新对剩余贴画的心理表征,使搜索的效率达到最高。本研究选择以上6种任务,通过预研究的修正和改进,保证了各任务的测查敏感性。一般关于执行结构方面的研究均采用了验证性因素分析(CFA)(Miyakeetal.,2000;Wiebe,Espy,&Charak,2008)。因为这种方法可以分离其它成分的影响以更好地评估执行功能的内部结构,研究者要求同一组被试完成不同的执行功能任务,如抑制任务、工作记忆任务等,这样就可以分析造成执行功能差异的可能来源。用尽可能“纯粹”的测验,来测试执行各子功能的任务成绩,作为随后理论模型中的潜变量指标,构建出执行功能的内在机制模型。因此,本研究目的是运用此方法以验证抑制功能和工作记忆功能在3岁这一时期是否可以分离。为此,构建两种理论模型,即单一因素理论模型(见图1)和两因素理论模型(见图2),每个因素上有三个任务预测相应的潜变量。通过比较数据对两个模型的拟合程度,以验证抑制和工作记忆是否可以分离。在确认出数据对哪一个理论模型最为拟合之后,需要通过“测量恒等性(TestofInvariance)”评估男孩组和女孩组之间的拟合程度。这是由于一些研究在探索幼儿执行功能的性别差异上得到了不一致的结果,比如Wiebe团队(2008)用2～6岁的年龄样本发现女孩儿有更强的潜在执行能力,但随后(2011)以3岁幼儿作为被试却发现各执行任务的性别差异不显著。所以在幼儿执行功能结构的探索中可能会出现性别差异的影响,因此,本研究也进行了性别差异检验。2学习方法2.1知情同意书的签订和实验从广西省桂林市两所幼儿园中选取181名3岁幼儿作为实验对象(85名男孩,96名女孩,平均年龄为41.6个月)。从广西省桂林市两所幼儿园中选择的所有3岁儿童,经与院方领导、班主任和家长商议后,与他们签订知情同意书,并获得实验的允许。随后进行整群测验,实验为期1个月。在正式实验之前与家长和班主任进行访谈,确定无患有发育或语言障碍的儿童,并且参与实验的儿童均已通过由医护人员或临床医师进行的《中国幼儿智力量表》测验和体检筛选,无智力低下和色盲、色弱儿童。2.2实验工具和任务2.2.1限制任务(1)观察和包装任务幼儿被告之他们将收到一份礼物,首先要求幼儿背对放礼物的桌子而坐,在实验者说可以看礼物之前不能偷看。然后主试开始包装礼物,并且发出响声,这个过程持续一分钟,在此过程中观察幼儿是否偷看主试包礼物。记分方法为:0分(完全的转过头来偷看),1分(偷看时将头转过肩膀),2分(没有试图偷看)(徐芬,王卫星,高山,MarkSabbagh,2003)。(2)小棒响出私家车幼儿和实验者对坐于桌子的两旁,桌子上放着一个倒扣的透明杯,杯子下面放着一个圆形卡通别针。实验开始前,告诉幼儿只有在实验者举起杯子并用小棒敲响杯子后才能拿取礼物。这个任务共进行四次,在每次实验进行到一半时实验者都拿起透明杯子,并做出试图敲响杯子的动作,但每次敲响杯子的时间都不一样,分别在10、15、20、30秒后敲响杯子。记分方式:0分(在杯子被举起前就拿了杯中的礼物)、1分(在敲杯子前就拿了杯中的礼物)、2分(在杯子被举起之前摸了杯子)、3分(在杯子举起后但杯子被敲响前摸了杯子)、4分(在杯子敲响后才拿取杯中的礼物)。(3)卡物的卡数与次数实验中,要求幼儿看见画有太阳图案的卡片说黑夜,看见画有月亮图案的卡片说白天。每种卡片8张,随机测验所有的卡片。以被试回答正确的次数为成绩,分值在0～16分之间(张文静,徐芬,2005;李艳玲,陈英和,2009)。2.2.2工作绩效记录任务(1)找贴画的次数首先给幼儿呈现六个颜色不同,大小相同的长方体盒子,并让幼儿观看实验人员在每个盒子中放一张贴画。实验开始时,主试告诉幼儿:“现在我们要找放在盒子里的贴画,找到的贴画就送给你。每次只找一个盒子中的贴画,你要记住哪些盒子是已经找过的,找过的盒子我们就不再找了”接下来,让幼儿开始找贴画。每次主试将已找出的盒子都放回其它5个盒子中,并将盒子的排放秩序打乱,再让幼儿找贴画。记分方式:记录幼儿在第几次才将所有的小贴画找完;如果幼儿找了15次才找完所有的贴画或都没有找完所有的贴画就停止实验,记为15次。通过公式15-X(x为被试找完小贴画所需要的次数)换算成0～9分。9分表示被试在寻找盒子6次时就找到了所有的贴画,0分表示被试在寻找盒子15次时才找到或者都还没有找到所有的“贴画”。(2)图形监视的次数在这个任务中,首先呈现排列成一行的12张卡片(红、蓝和白色;有四种形状:圆形,三角形,长方形,椭圆形),实验共3个Block,每个Block中有5个trail组成。正式实验前有两次练习的机会。实验在计算机屏幕上呈现相应的图形,难度从1个图形到3个图形的组合逐级增加。第一个Block为一个图形,第二个Block为2个图形的组合,第三个Block为3个图形的组合。要求被试指出和屏幕中呈现的颜色和形状完全一样的卡片图形(或者一组图形),图形注视的时间呈现为2s(1-beadtrials)或3s(2-beadtrials)或5s(3-beadtrials)。我们的研究收集在三个部分正确反应的次数。因此,被试的最高分能是15分(Hughes,Ensor,2011)。(3)多卡卡片的回忆,有个卡测验材料为一些绘有黄色和绿色圆点的卡片。卡片上随机排着些绿色和黄色子,测验时,实验者按规定的序列呈现卡片,首先给幼儿两张正面朝下的卡片,实验者翻开第一张卡片(如4个黄点6个绿点),要求幼儿只数卡片上的黄点数,数完之后,这张卡片被翻转,下一张卡片被翻开(如5个黄点5个绿点),在数完点数之后,这张卡片又被翻转。然后,实验者指着第一张卡片和第二张卡片,要求幼儿按顺序回忆每一张卡片上黄点的数量。如果能够正确回忆(4,5),就算通过。如果一次不成功,可另外摆两张卡片,进行第二次测验,再测成功,也算通过了两张卡片系列广度(2张卡片,广度计为2)。然后依次增加卡片数量,幼儿在某一卡片系列两次测验都不能通过则停测(文萍,李红,2007)。2.3主试和实验台相结合的实验任务实验程序包括预备实验和正式实验两阶段。在预备实验阶段,研究者与桂林金宝贝早教中心取得联系并得到实验准许。由于测量抑制的昼夜Stroop为计算机测验,但经预测发现计算机化的任务对幼儿是不适合的,这是由于成绩好的幼儿更有可能是因为操作计算机水平熟练而非对任务本身的操作引起的。所以,我们将昼夜Stroop任务调整为行为实验,用电脑屏幕呈现图片,让幼儿用口头言语报告或指认的方式进行。并且经预测发现的这一阶段幼儿的点数(用手指点数目标)能力尚未发展成熟,并且对于5以上的点数存在地板效应,因此将测量工作记忆的数点数任务调整为5以内的点数,Beads任务也删除了4个以上的图形组合。正式实验前,研究者招募了6名主试助手进行集中培训,旨在确保指导语和观察操作误差最小化。实验在桂林两所幼儿园进行,实验前从班主任处取得被试的基本年龄和家庭信息,以及确保被试无身体不适和疲劳、排便问题。以自愿为原则,采用个别测查方式,每次进行单独实验,一次性完成6项实验任务,完成整个实验的时间约为30分钟,但被试完成单个任务的时间不超过4分钟,并在每两个任务完成过后留给被试1分钟左右的休息时间。这样以避免被试注意力分散的问题。实验在幼儿园一间独立的房间内进行,分为三个实验台,第一个实验台由一名主试操作需要计算机进行的Beads和昼夜Stroop任务,第二个实验台由一名主试和两名观察员操作包礼物和糖果延迟任务,第三个实验台由一名主试操作找贴画和数点数任务。为了确保幼儿被试的实验兴趣,被试在完成一个实验台的任务后,会移动到下一个实验台进行新的实验任务,让幼儿被试感觉实验游戏好像是在“过关”一样。为了平衡任务带来的顺序效应,将3个实验台的施测顺序进行拉丁方排列,即123、231、312的循环方式进行。实验人员由2名观察员和3名主试构成,分别站于被试正面45度角和侧面135度角处,在被试处于自然状态下观察,实验完成后进行观察数据的一致性评估(本研究中的包礼物观察者一致性信度Kappa值=0.92,N=181;糖果延迟任务的Kappa值=0.89,N=181)。主试以表格形式收录数据,实验完成后由一名研究者进行数据的统一录入。2.4验证性因素分析描述性统计和探索性因素分析使用SPSS13.0进行计算,而验证性因素分析使用AMOS18.0进行计算。90名被试的数据进行探索性因素分析,随后将91名被试的数据进行验证性因素分析。使用模型测量恒等性检验,评估男女生组是否有相同的因素模型。3结果分析3.13证性因素分析181名被试在抑制和工作记忆任务成绩基本符合探索性和验证性因素分析的假设。表1呈现了所有被试以及男女生各自在各执行任务上的平均数和标准差。从总体上看,女生在抑制和工作记忆各任务的表现上均好于男生,但都没有达到显著差异。3.2成绩标准分和数字支出情况为了平衡不同计分方式带来的影响,首先将被试在各执行任务上的成绩转换为Z分数,然后对各执行任务的分数进行相关分析,结果显示(见表2对角线以下部分)出幼儿包礼物任务成绩标准分与找贴画任务成绩标准分之间呈现显著相关[r(181)=0.19,p<0.01],昼夜Stroop任务成绩标准分与数点数[r(181)=0.29,p<0.01]和Beads任务成绩的标准分[r(181)=0.20,p<0.01]之间均呈现显著相关,三个抑制任务之间均呈现出显著相关,并且三个工作记忆任务之间也均呈现出显著相关。因为年龄(出生多少个月)与抑制和工作记忆总分呈现显著相关[r(181)=0.17,p<0.05;r(181)=0.24,p<0.05],我们又计算了偏相关系数(见表2对角线以上部分),在控制年龄(出生多少个月)之后,以上关系依然存在显著性。3.3主结论分析用探索性因素分析区分抑制和工作记忆是否是可分离的因素。对90名3岁幼儿在3个抑制任务、3个工作记忆任务共6个任务上的得分主成份分析,抽取特征根大于1的因子2个,累积解释57.925%的总变异。经主成分方差极大正交旋转后,结果分离出2因子模型,分别是工作记忆和抑制因子,各执行功能任务各自的负荷结果见下表3。3.43模型的估计、评价和拟和指数模型分析一般可分为4大步骤:(1)模型建构,包括指定变量间的相互关系,限制因子负荷或因子相关系数等参数的数值;(2)模型拟合,指在有了一个新模型后,就要设法求出模型的解,其中主要是模型参数的估计;(3)模型评价,在评价一个模型时,需要检视各参数值是否在合理的范围内和参数与预设模型的关系是否合理,还要检视多个不同类型的整体拟和指数,如:χ2、SRMR、AIC、CFI、IFI等,以衡量模型的拟和程度;(4)模型修正,对每一模型检查标准误、修正指数、及各种拟合指数,据此修改模型(文萍,张莉,李红,刘莉湘君,张雪怡,2007)。3.4.1因素模型的建立根据“多元论”和“整体论”的理论观点,我们提出了两种理论模型构想,分别是单一潜变量模型和抑制和工作记忆两因素模型(见下图1和图2)。模型1(M1):可称之为“单一潜变量模型”。假设幼儿的抑制能力和工作记忆能力是共同发挥作用的,相应任务数据可以被单一因素模型所解释;模型2(M2):可称之为“抑制和工作记忆两因素模型”。假设幼儿的抑制能力和工作记忆能力是独立发挥作用的,相应任务数据可以被抑制和工作记忆两因素模型所解释;3.4.2验证分析过程本研究运用验证性因素分析(CFA)的方法,使用Amos18.0进行最大似然估计分析,对其它91名被试数据进行两种理论模型构想进行验证。根据理论假设,对图1和图2中的理论模型进行验证分析。根据模型的拟合情况不断进行修正,直到建立一个拟合良好的模型,两个模型的拟合度的各项检验指标见表4。综合分析各项拟合指标,对模型进行比较后,我们认为在这些模型中,模型2是最佳的模型。拟合指数表明,模型1的χ2值显著(p<0.05),其它拟合指数都不是很符合标准水平。说明“单一潜变量模型”(M1)对数据拟合偏离较大,拟合不满意。而相比之下模型2的χ2值不显著(p>0.05),说明“抑制和工作记忆两因素模型”(M2)对数据的拟合较好,其余拟合指数也都达到拟合标准水平,表明模型2拟合较为满意(见图3)。3.4.3测量恒等性检验为了评估男女生组是否有相同的因素模型,针对抑制和工作记忆两因素模型分别进行了85名男生和96名女生样本的测量恒等性检验(见表5)。结果发现三个限定模型与基准模型的χ2差异值均未达到显著性水平,表示三个模型与基准模型视为相等。这说明男生与女生之间不存在差异。4主要关于测试结果的可分离性的研究本研究基于以往的研究,在潜变量水平上,对两种执行功能(抑制和工作记忆)的可分离性进行了研究。针对以往研究存在的问题,本研究主要解决了两个问题:第一,对执行功能的任务进行改进,提高测验的有效性;第二,在选取适合任务的基础上,成功地建立了两种执行功能的探索性因素分析模型和潜变量分析模型。4.1夜待过期调整为行为实验为了提高执行功能测验的效度,采取了如下一些措施:首先,通过设置不同的实验平台可以让幼儿感受到置身于“过关”游戏当中。并且,计算机呈现图片和幼儿动手操作的任务模式,保证了幼儿的注意力维持在测验任务上。其次,通过预实验中几次调整昼夜Stroop任务,保证了任务尽可能“纯粹”的测验到抑制功能。在这期间,从一方面将“太阳”和“月亮”图片固定为纯色背景、高分辨率的刺激材料,以排除因图片不同而导致幼儿反应出错的额外变异。另一方面,为了排除因计算机操作水平熟练对被试成绩提高的影响,我们将昼夜Stroop任务调整为行为实验,用电脑屏幕呈现图片,被试出声报告的方式进行。并且,对于某些幼儿存在音色辨识度不高的问题,改用指认的方式进行反应。最后,调整了反应部分认知负荷太高的任务,如5以上的点数和Beads任务中3个图形以上的组合,改进为5以内的点数和3个以内的组合以减轻被试反应阶段的认知负荷,避免了不同执行功能之间的相互干扰。通过认真筛选和改进每一项执行任务保证了测验的有效性。4.2工作记忆的脑区本研究的第一个目的是确定幼儿抑制和工作记忆的关系,结果表明,两种执行功能间的相关显著,抑制是对自主优势的反应进行有意识抑制控制的能力,即指抑制不符合当前需要的或不恰当行为反应的能力,并做出合适的选择性反应(王琰,蔡厚德,2010)。而工作记忆指的是面临复杂的任务时对于信息的储存和编码以及适当的监控以适应当前的任务(Baddeley,1986)。并且,工作记忆任务的核心特征是在意识中保持信息以指导后续的行为(Baddeley&Hitch,1974)。已有多项证据发现反应抑制与反应选择、工作记忆和注意的神经加工之间存在密切联系,比如Bell,Wolfe和Adkins(2007)的EEG研究证明了儿童在面临复杂的抑制任务时,需要同时激活工作记忆相关脑区。而在本研究中,包礼物任务和昼夜Stroop任务都与工作记忆的任务存在显著相关,并且在实验过程中,研究者也同时发现,在完成抑制任务时,3岁幼儿需要记住任务相应的规则以帮助自己做出选择性反应。已有来自神经影像学(fMRI)的研究证实了抑制与工作记忆的神经加工之间存在密切相关,它们激活的脑区相互重叠,如背外侧和腹侧前额叶皮层(Caseyetal.,1997;Durstonetal.,2006)。而本研究的结果也与这些研究具有一致性。4.3不同执行功能的研究结果本研究的第二个目的是推测在3岁这一年龄时期,抑制与工作记忆是否各自独立发挥作用。为此,我们首先进行了探索性因素分析,相关数据析出的两因素模型表明,用抑制和工作记忆两因素模型可以更好地解释执行任务数据。这说明了3岁幼儿已出现了认知抑制与工作记忆功能分离的趋势。一些研究也表明了,3到4岁的幼儿在简单的抑制任务表现上就已有了明显的提高,例如鲁里亚的拳头、手指游戏,昼夜stroop任务,A-not-B任务等(Carlson&Moses,2001;Hughes,1998;Sabbagh,Xu,Carlson,Moses,&Lee,2006)。这样可以推测出,抑制功能在这一时期更可能独立发挥作用,它不受到工作记忆的影响。因为工作记忆的测验任务要求幼儿尽可能在给定的时间范围内记忆规则和完成操作步骤,被试更需要依赖自身的加工速度,而不是注意控制力。虽然结果同样显示昼夜Stroop任务对工作记忆也有很高的贡献率,但这与前人的研究是一致的。因为幼儿在此阶段将两种执行功能联合运作是有困难的,在加工复杂的抑制任务时,需要得到工作记忆的参与(Garonetal.,2008;Simpson&Riggs,2005;Best&Miller,2010)。并且,已有研究证明了工作记忆和其他执行功能(如抑制和自我监控力)是相独立的(Alloway,Gathercole,Kirkwood,&Elliott,2009;Holmesetal.,2008)。但同样存在研究表明,在幼儿3岁这一年龄期,工作记忆与抑制功能更倾向于共同发挥作用,这样出现了以往研究结论的不一致(Wiebeetal.,2011)。因此,我们验证了这两种不同的理论模型构想,但随后验证性因素分析的结果显示,3岁幼儿样本的数据更为拟合抑制和工