工作记忆容量的认知机制

工作记忆容量的认知机制

1工作记忆与注意控制工作内存的大小常常被视为对认知加工的重要限制，这是识别个体和特殊群体之间差异的基础。Baddeley和Hitch于1974年提出的工作记忆模型把工作记忆分为中央执行系统和语音、视空模板两个存储子系统,即把工作记忆分为一个负责加工、协调、计划以及监督管理的执行性控制系统,一个分别储存不同信息的存储系统。在Baddeley的工作记忆模型中,注意主要与执行性控制有关,而与存储无关,存储被认为是一个自动起作用的过程。Baddeley工作记忆模型的一个明显特征就是注意控制的性质,这实际上也是工作记忆容量有限的理论基础。Baddeley的注意术语如同工作记忆文献中许多研究者所指的那样,都是宽泛地指一种努力性的加工,包括从简单的复述到复杂的执行功能,如计划、组织及控制等认知活动,因此Baddeley的执行性控制也常被看作是注意控制的同义语。Engle(2002)等人做的潜变量研究分析表明,工作记忆容量反映的是个体注意控制的能力,更多地涉及了在控制过程和自动化过程中的差异而不是在存储容量方面的差异,这也是导致工作记忆容量的个体差异与高级认知能力,如语言理解、推理、一般流体智力相关的根本原因。鉴于此,Cowan、Eillot和Saults等(2005)指出,要澄清两个纬度的注意:一是注意控制,一是注意范围。注意控制强调的是工作记忆与认知加工过程相结合来控制与调节认知活动的功能系统,在本质上并不是“记忆”。一般说来,我们认为注意控制是一种领域普遍性的加工,它在干扰、分心和竞争性反应存在的情况下能更为有效地使处于注意焦点之外的刺激和目标具有可通达性。而注意范围,就是所谓的注意焦点,则是为了进行当前的认知加工而把从记忆的激活部分提取出来的信息组块加以保持的一个容量有限系统,处于注意焦点中的要素即当前正在被加工的要素,因此对注意范围的测量实际上就是对能够被抽取出来并一次性保持在注意焦点中的目标或组块的数量的测量。他们认为,过去关于工作记忆与注意之间关系的研究文献主要集中于注意控制,而忽视了对注意焦点或范围的测量。显而易见,人一次能加工的信息量是有限的,并且在很多情况下,最近加工的结果都被积极地保持在注意焦点中也是不可能的。一旦信息超过注意焦点的容量,就需要有执行性控制系统把信息在注意焦点与记忆中加以区分,因此考察注意焦点的容量以及注意焦点是如何与不同记忆系统相衔接的是理解复杂认知任务和工作记忆容量关系的基础。2用于研究内存容量2.1东南角的公司“存在”早在1956年,Miller就提出了神奇的数字7,认为人类的短时记忆的平均广度为7±2。而且虽然不同任务的机制可能不同,但却得到相同的容量范围。当然Miller的神奇数字7是指7个独立的信息组块(chunk),只不过Miller并没有对组块做出明确的说明。尽管如此,Miller的观点还是被广为接受,而且被写入教科书中。Baddeley和Hitch于1974年提出的工作记忆模型是一个广为接受的模型,得到了广泛的实验支持,认为工作记忆容量是有限的,在加工时只有小量的表征要素,即所谓的组块,能同时被保持在一个高度的可通达状态中,这引发了对工作记忆容量的深入研究。2.2注意焦点容量2001年,Cowan在总结了自己和他人的研究的基础上发表论文《神奇的数字4:心理存储能力的再认识》,重新考察了短时记忆的存储容量,形成了一个关于工作记忆容量的框架,这一框架的核心概念就是,在一般成年人中,工作记忆的存储容量可达3-5个独立的信息组块或信息单元。并且指出这种特殊形式的存储限制可能就是注意焦点容量,即注意焦点是一个大约4个要素的有限容量,这些要素是一个人随时可以意识到的那些表征,不同于长时记忆中被激活的表征。Daneman和Carpenter(1980)采用阅读广度作业,对工作记忆容量的个体差异进行了研究,结果发现,在大学生中句子阅读广度的变化幅度一般为2—5.5个。2003年,北京大学心理系认知实验室进行了有关注意与工作记忆关系的研究,结果也支持短时记忆容量为4的说法。Cowan(2004)还测量了在组块被允许的情况下,记忆的容量是否依旧保持恒定。他在实验中运用了一个训练程序来操纵词对之间的联系强度,结果发现,尽管在词之间建立的联系增加了两词组块的数目,但整个组块广度依旧保持恒定。当然,这一实验结果主要是对在直接序列回忆任务中的记忆容量恒定的检验,在复杂广度工作记忆任务中,当注意需要同时指向于存储与加工的时候,容量恒定的假设是否成立还有待进一步证明。2.3在注意焦点的测试中的应用其他研究则表明,工作记忆中的注意焦点只限于一个要素。在这里注意焦点的作用不是要保持一系列记忆要素以被通达,而只是要保持当前加工的目标。对之的证据主要来自于两大类发现:一类来自于直接再认范式的研究,McElree和Dosher(1989)通过实验发现把探测刺激与最后项目做比较的速度要比与先前呈现项目做比较要快,McElree和Dosher对此的解释就是记忆表的最后一个项目还被保持在注意焦点之中,因此具有特别快的可通达性。McElree(2001)后来又进行了一个3-back排除和包含任务的实验。结果发现在3-back排除实验中表现出明显的提取优势,这就有助于支持3-back项目保持在注意焦点中的最大可能性是1个项目而不是3个项目。第二类发现则来自于Garavan(1998)进行的记忆更新范式的实验。他要求被试对屏幕上随机顺序呈现的三角形和方形进行分别计数,这需要被试不得不同时记住并不断更新两列不断变化的计数,如当屏幕上再出现一个三角形的时候就要更新前面关于三角形的计数而保持关于方形的计数。结果发现,当从一个图形的计数转换到另一个图形的计数的时候,所用反应时比连续呈现同一类图形的计数所用反应时要长大约300ms,这被称之为对象转换效应,这种对象转换效应后来也被Oberauer(2003)在心算任务中发现。对此结果的一个可能的解释就是在认知加工的每一步,注意焦点只能保持一个在当前加工时必须被更新的成分,因此在认知加工中要转换到另一个对象的时候就需要时间。3注意焦点的理解3.1注意焦点的弹性没有分层次的差异Cowan(1999)主张把工作记忆分为注意焦点和长时记忆激活部分两个成分。注意焦点是一个容量有限的成分,只能保持很少部分的激活表征——介于1-4个独立要素;而长时记忆的激活部分则由基线水平上的当前被激活的所有表征组成,虽然没有容量限制,但却会随时间而逐渐消退。Cowan进一步指出,激活限制不同于注意限制,激活限制主要受时间长短的影响,而注意限制则主要受组块大小的影响。McElree(2001)早已经通过实验证明,提取速度的测量是区分表征状态的最直接的手段。当然提取速度也会受到记忆强度的影响,为此,McElree采取了反应-信号的速度准确性权衡程序,来描述精确性(可获得性)以及通达性是如何随着提取时间而发生变化的,结果发现了双重分离的时间进程模式,即对于所有长度的词表而言,在学习和测量间插入的项目和时间越多,记忆表征的精确性(可获得性)越下降,出现一个渐近线;而提取速度即通达性则表现出一个双重分离的模式,最后一个项目的提取速度比其他位置的项目要快,而且除最后一个项目的所有其他项目的通达速度都同样地慢,表现出一定的稳定性,从而认为工作记忆可以分为两个部分。为了进一步说明注意焦点容量差异问题,Cowan(2005)提出了注意的弹性焦点的观点(aflexiblefocus),认为注意焦点具有弹性、可调整的特点,可以窄到只容纳一个成分,也可以扩展到最大可以容纳四个成分。他把注意焦点分为广焦点(widefocus)和窄焦点(narrowfocus),两者是属于同一机制,只是注意的不同弹性状态而已。当面对干扰的时候,注意焦点可以缩至对目标的关注上,这时候注意焦点的容量是最小的,而当没有干扰、任务相对而言又比较熟练的时候,注意焦点可能会扩大至更多的项目,当然注意焦点是不可能无限夸大的,而只限于3-5个信息组块。显而易见,Cowan的注意焦点的可调整观认为是注意控制在调整注意焦点的扩大与缩小。Verhaeghen等(2004)则提出更为详尽的说明,认为注意焦点可以通过练习从1个要素扩展为4个要素,他们使用了一个修正的n-back任务,要求被试记住一个20多个数字系列的最后1到5个数字。结果发现,在练习之初从n=1到n=2之间反应时会发生实质性的增加,但在10个阶段的训练后,反应时模式成为n的函数,表现为从n=1到n=4的线性增加,而在从n=4到n=5之间表现出较大的增加,这说明通过训练注意焦点扩大了,从最初的1个数字能够达到保持4个数字,反应时的线性增加可以解释为焦点的容量限制,这样在有更多的要素被保持时,加工就会变慢。然而在n大于4时,就不是所有的要素都能进入到注意焦点之中了,因此反应时会出现较大幅度的增加。3.2目标转换代价Oberauer(2002)等则认为工作记忆是由三个内嵌的成分组成的,即长时记忆激活部分、直接通达区(direct-accessregion)和注意焦点。即他把Cowan的注意焦点又细分为直接通达区和注意焦点两个部分。长时记忆的激活部分可用于存储一些信息以备日后回忆,而直接通达区则是一个容量有限的成分,能够保持着少量的表征要素以进行迅速直接的通达;而注意焦点则是一个狭窄的中心,它随时保持着一个组块,这一个组块实际上是从直接通达区的内容中选择出来作为认知操作的目标。鉴于这样的划分,Oberauer认为工作记忆的内容同时处于三种不同的机能状态中,他(2002,2005)通过修正的Sternberg任务范式(themodifiedSternbergparadigm)和算术记忆通达范式(theArithmeticmemory-accessparadigm)进行了研究。尽管这两个研究范式在许多方面各不相同,但得出了较为一致的结论:即当工作记忆中一个特别要素需要进行加工而被通达时,如果这个目标本身不是一个先前加工操作已通达的目标,就要比同一目标再次被通达时的反应时要长的多,这就是所谓的目标—转换代价(object-switchcosts),表明了应该在注意焦点与直接通达区之间进行区分。另外,Oberauer认为长时记忆的激活部分以两种方式服务于工作记忆的保持功能,一是长时记忆表征的激活,二是在激活表征之中建立新联系,并且有足够的强度可以支持后续的精确回忆。Oberauer(2006)针对Verhaeghen等(2004)的实验提出质疑,认为在Verhaeghen的实验中混淆了目标转换效应与词表大小效应,从而导致了实验结果的污染。Oberauer设计了三个实验清除了词表长度与目标转换之间的混淆来考察注意焦点是否可以通过训练而提高。结果三个实验都强烈地反对了注意焦点可以通过10个小时或者不到10个小时的训练而从1个项目扩大到4个项目的结论,从而认为注意焦点与直接通达区是两个不同的成分,在注意焦点中只能同时保持一个目标或者组块。4存在的问题4.1我们还需要进一步加强工作记忆的定义和测量手段的研究尽管工作记忆的研究已经做了相当多,但关于工作记忆的界定、工作记忆测量的手段以及为什么这些测量手段起作用这些问题上还并没有达成一致。4.2“组块”的量化限制从操作的角度说,很难确切地弄清楚组块怎样被使用以及因此会有多少组块被回忆,所以如果不能真正的鉴别“组块”,就无法根据“组块”来量化容量限制。另外,时间因素也会混杂到对组块的测量中来,从而影响对容量的估计。所以如果能够找到一些方法,进一步控制组块形成和时间因素对工作记忆容量限制的影响,将十分有利于研究的深入。4.3情境缓冲器:一种计算模型工作记忆容量有限性的保持机制目前尚不清楚,注意焦点和Baddeley在2000年新增加的工作记忆成分——情境缓冲器是两种可能的解释,但尚需要进一步构建更为明确的容量有限的理论模型。4.4注意控制的领域普遍性和特殊性关于注意控制的界定各不相同,诸如控制性加工、执行性功能、自上而下的控制、