人類工作記憶的某些神經(jīng)影像研究

人類工作記憶的某些神經(jīng)影像研究

工作記憶(workingmemory)是一種對(duì)信息進(jìn)行暫時(shí)性的加工和貯存的能量有限的記憶系統(tǒng)，對(duì)于語(yǔ)言理解、學(xué)習(xí)、推理、思維等復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)的完成起關(guān)鍵作用。這一概念最早由Baddeley和Hitch于1974年在分析短時(shí)記憶的基礎(chǔ)上提出，隨后Baddeley[1]將其進(jìn)一步完善。Baddeley通過(guò)大量的行為實(shí)驗(yàn)研究論證了工作記憶的合理性并提出了工作記憶的認(rèn)知結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為工作記憶包括一個(gè)中央執(zhí)行器(thecentralexecutive)和兩個(gè)子系統(tǒng)——“語(yǔ)音回路”(phonologicalloop)與“視覺(jué)空間模板”(visuospatialsketchpad)。這一研究引起了人們的廣泛注意。自1992年以來(lái)，由于正電子發(fā)射斷層掃描(PET,PositronEmissionTomography)技術(shù)的進(jìn)一步成熟以及功能磁共振成像(fMRI,FunctionalMagneticResonanceImaging)技術(shù)的產(chǎn)生，在有關(guān)工作記憶的行為實(shí)驗(yàn)研究以及靈長(zhǎng)類動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，研究者利用這些神經(jīng)影像技術(shù)研究人類工作記憶的腦機(jī)理，取得了可觀成果。本文試圖對(duì)近幾年來(lái)采用PET、fMRI這類神經(jīng)影像技術(shù)探討人類工作記憶腦機(jī)理的一些重要研究作一嘗試性梳理和評(píng)述。
　　　　1　至少存在兩種類型的工作記憶系統(tǒng)——詞語(yǔ)工作記憶和空間工作記憶
　　工作記憶并不是單一的系統(tǒng)，而可能存在多個(gè)，它們分別用于加工處理不同種類的信息。雙分離(doubledissociation)原理可作為解決這一問(wèn)題的邏輯前提。該原理應(yīng)用于人腦功能研究方面可明確表述為：若A任務(wù)與腦區(qū)a的神經(jīng)活動(dòng)變化有關(guān)，與腦區(qū)b無(wú)關(guān)，而任務(wù)B與腦區(qū)b的神經(jīng)活動(dòng)變化有關(guān)，與腦區(qū)a無(wú)關(guān)，則這兩個(gè)任務(wù)存在不同的腦機(jī)制。該原理為我們分離人的復(fù)雜心理過(guò)程提供了邏輯依據(jù)�；�于這一點(diǎn)，目前采用神經(jīng)影像技術(shù)在研究人類工作記憶的腦機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)至少存在兩種類型的工作記憶系統(tǒng)，即詞語(yǔ)工作記憶(verbalworkingmemory)和空間工作記憶(spatialworkingmemory)，它們分別負(fù)責(zé)處理詞語(yǔ)信息和空間信息。
　　Jonides和Smith等人近幾年以正常人為對(duì)象，利用PET對(duì)工作記憶進(jìn)行了一系列研究[2,3]。他們借用Sternberg于1966年研究記憶掃描的項(xiàng)目再認(rèn)范式(item-recognitionparadigm)設(shè)計(jì)了不同類型的工作記憶任務(wù)。圖1是他們?cè)O(shè)計(jì)的詞語(yǔ)工作記憶和空間工作記憶任務(wù)。首先，在視屏中央呈現(xiàn)“＋”字500ms，然后在十字周圍出現(xiàn)四個(gè)大寫字母或三個(gè)黑點(diǎn)200ms（稱為目標(biāo)刺激），隨后間隔延遲3000ms，最后出現(xiàn)一個(gè)探測(cè)刺激——小寫字母或圓圈1500ms，要求被試判斷該小寫字母是否與前面呈現(xiàn)過(guò)的四個(gè)大寫字母中的任何一個(gè)匹配，或者圓圈是否圈住了前面呈現(xiàn)過(guò)的三個(gè)黑點(diǎn)中的任何一個(gè)。被試進(jìn)行上述任務(wù)時(shí)同時(shí)接受PET掃描。注意，在詞語(yǔ)記憶任務(wù)中，讓被試比較小寫字母與大寫字母是為了使被試必須對(duì)字母的語(yǔ)音進(jìn)行表征，以免被試僅從字母形狀作出判斷。
　　附圖
　　　　圖1　詞語(yǔ)工作記憶和空間工作記憶任務(wù)及其相應(yīng)的控制條件設(shè)計(jì)模式
　　上述任務(wù)除了需要工作記憶參與，還包括被試感知編碼刺激（字母和黑點(diǎn)）以及作出反應(yīng)等其它一般性的操作過(guò)程。因此，PET掃描數(shù)據(jù)所反應(yīng)的腦激活信號(hào)不僅包含工作記憶所激活的神經(jīng)信號(hào)，而且還包含感知刺激以及作出反應(yīng)等心理活動(dòng)所激活的神經(jīng)信號(hào)。為了排除后者，實(shí)驗(yàn)還設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制任務(wù)（圖1）。它與記憶任務(wù)類似，區(qū)別僅在于當(dāng)目標(biāo)刺激呈現(xiàn)完畢立即呈現(xiàn)探測(cè)刺激，不存在延遲，所以該任務(wù)只需要被試感知刺激以及作出反應(yīng)等一般性的操作過(guò)程，沒(méi)有記憶參與或?qū)τ洃涃Y源的需求量極少。這樣，當(dāng)從記憶任務(wù)條件下所獲得的腦激活信號(hào)排除控制任務(wù)條件下所獲得的腦激活信號(hào)后，得到的僅是工作記憶的腦激活信號(hào)。這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可稱為減法設(shè)計(jì)(subtractivedesign)。
　　分析表明，詞語(yǔ)工作記憶主要激活了腦左半球一些腦區(qū)，包括左頂后皮層布洛德曼(BrodmannArea,BA)40區(qū)、Broca區(qū)(BA44)、左前運(yùn)動(dòng)區(qū)(BA6)以及左輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(BA6)，而空間工作記憶主要激活了腦右半球一些腦區(qū)，包括右頂后皮層(BA40)、右枕前皮層(BA19)、右前運(yùn)動(dòng)區(qū)(BA6)以及右腦前額葉腹側(cè)(BA47)。詞語(yǔ)工作記憶主要由左半球參與，空間工作記憶主要由右半球參與，兩種記憶條件下所參與的腦區(qū)沒(méi)有重疊，為詞語(yǔ)工作記憶與空間工作記憶的雙分離提供了明確的證據(jù)，且支持大腦兩半球功能不對(duì)稱性的觀點(diǎn)。
　　研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)[4,5]，可能還存在一種與上述兩種記憶不同的另外一種工作記憶，即客體工作記憶(objectworkingmemory)。所謂客體，指的是一些熟悉或不熟悉的物體圖形，如幾何圖形、面孔等，其本質(zhì)是一些不含詞語(yǔ)信息和空間信息的視覺(jué)信息。從現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行分析，Smith等人所說(shuō)的客體工作記憶與Ungerleider等人所說(shuō)的視覺(jué)工作記憶(visualworkingmemory)含義是相同的。Smith等[4]以一些抽象的幾何圖形作為刺激項(xiàng)目，采用上述項(xiàng)目再認(rèn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ窖芯靠腕w工作記憶，觀察到左半球顳葉、頂葉以及額葉的一些腦區(qū)參與（與參與詞語(yǔ)工作記憶的腦區(qū)沒(méi)有重疊），但Courtney等[5]觀察到左右腦各區(qū)同等參與。Ungerleider等[6]據(jù)此認(rèn)為左右腦各區(qū)參與客體工作記憶的程度依賴于被試對(duì)刺激項(xiàng)目的熟悉性以及對(duì)客體刺激采用何種形式的編碼。例如，當(dāng)鼓勵(lì)被試對(duì)不熟悉面孔采用詞語(yǔ)編碼時(shí)，所激活腦區(qū)的左腦一側(cè)化更明顯，當(dāng)鼓勵(lì)被試對(duì)不熟悉面孔采用圖像編碼時(shí)，所激活腦區(qū)的右腦一側(cè)化更明顯。Jiang等[7]還采用事件相關(guān)fMRI(event-relatedfMRI)進(jìn)一步分析了面孔識(shí)別過(guò)程中熟悉性程度與相應(yīng)各激活腦區(qū)神經(jīng)信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系。顯然，客體工作記憶的腦活動(dòng)機(jī)理是一個(gè)需要大力研究的領(lǐng)域。
　　上述研究表明，至少存在兩類工作記憶系統(tǒng)，即詞語(yǔ)工作記憶和空間工作記憶，還可能包括第三類工作記憶系統(tǒng)，即客體工作記憶或視覺(jué)工作記憶。從信息加工的過(guò)程來(lái)看，工作記憶系統(tǒng)中的信息加工可分為三個(gè)環(huán)節(jié)：(1)信息貯存(storage)過(guò)程，其中的信息一般很容易

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