认知心理学笔记之认知控制

目标导向行为背后是非常复杂的加工过程，我们必须对目标形成一系列计划，根据过去的经验总结出当前环境中可以进行的行动以执行计划完成目标，且一个计划向另一个计划转变还需要监控当前行为的成功率，这些操作都会涉及“认知控制”。

Part 1 额叶子区域

额叶占据了人类大脑的三分之一，以中央沟为界限与顶叶区分开来，以外侧裂为界与颞叶分开。额叶后部是初级运动皮质以及刺激运动皮质，其余额叶区域称为前额叶皮质。人类的前额叶皮质相对于灵长类动物而言，白质的延伸显著多于灰质。实际上，几乎所有的皮质和皮质下区域都通过直接投射或间接地通过几个突触中继站影响前额叶皮质，前额叶皮质也会传送一些信息到向它投射的区域，比如前额叶皮质与顶叶颞叶皮质的大部相连。

前额叶的三个部分在认知控制中具有重要作用：外侧前额叶皮质、额极、内侧额叶皮质（虽然扣带回是较早发育的神经系统结构，但其也对认知控制有重要影响）。

 

Part 2 外侧前额叶皮质和工作记忆

我们存储知识的长时记忆与短时记忆（准确来说是工作记忆）是有区别的：长时记忆更可能依赖于语义特征网络，而工作记忆则是对任务相关信息的瞬时表征。工作记忆的表征与当前环境的事件或最近经历的事物紧密相连。工作记忆使得我们不单单是简单地对刺激做出反应，还能够让我们提取长时记忆中的经验去对刺激做出高效合理的反应。

研究发现，前额叶皮质对工作记忆是很重要的。实验中，让猴子看食物放到两个食物槽中的一个，然后遮住猴子的视线（用一个挡板），延迟一段时间后拿起挡板让猴子选择食物槽以获得食物（这里食物没有被调换到另一个槽）。该任务中，由于与选择食物有一段时间延迟（挡住视野的那段时间），猴子需要在头脑中保持对食物的表征才能够让其在最后做出正确的选择。而实验结果是，前额叶皮质受损的猴子的任务成绩很差。但神奇的是，前额叶皮质对联想记忆没有损害：还是同样的实验设置，只是这次食物要与某个线索建立联系（如圆形图案），圆形图案出现则说明食物在该食物槽中（该任务中，食物会被随机调换位置），猴子要获得食物最优策略是根据线索来判断。在该实验中，发现前额叶皮质损伤的猴子完成任务的成绩与未受损的猴子一样，表明联想记忆不会受到前额叶皮质的太大影响。此外，前额叶损伤也不影响再认，在实验中表现为可以充分识别出一个物体是新的或再认另外一个物体是熟悉的。

额叶参与人类的工作记忆任务，根据对孩子的观察，小于一岁的孩子不能够完成类似猴子实验一种的任务（在两个位置上放置糖果，一段时间后让孩子去寻找糖果），因为这个年纪孩子的额叶还在发展。

 

工作记忆的生理机制。工作记忆系统要满足两种条件：一个访问存储信息的机制，一种保持信息激活的方法。前额叶皮质能够完成这两项操作。

关于工作记忆背后的前额叶皮质机制，有观点认为：前额叶皮质只是提供了一个暂时的存储区域，存储的是来自其他神经区域的表征。当感知到一个刺激时，暂时的表征通过前额叶皮质与后脑连接的通路呈现在前额叶皮质中，前额叶皮质细胞的持续性激活可能表明了该网络内持续信息的传递。

面孔延迟反应任务研究了前额叶皮质和梭状回面孔区域的激活。任务在编码阶段呈现一组完整的面孔或是被打散了的面孔，之后呈现“+”作为延迟，最后呈现一张面孔图让被试辨认是否是前面呈现过的。在实验中，编码阶段FFA（梭状回面孔区域）的激活比前额叶皮质激活更早达到峰值；而在记忆提取阶段（即要被试辨认面孔是否出现过的时候），前额叶皮质的激活更早达到峰值。（考虑删除……）

Part 3前额叶皮质与其他类型记忆

额叶和记忆的时间组织。额叶损伤的病人在记忆中组织和分离事件的能力受到损伤，表现出近事记忆受损。采用近事辨别任务来研究这类记忆：每次呈现一张卡片，卡片上有两个图案，随后呈现多张卡片，询问被试之后卡片上的图案哪个是最近看到的。近事判断任务中，背外侧皮质损伤的病人成绩下降得很厉害。

近事辨别任务的变式，自定次序的指向任务也可以做相关研究。在自定次序指向任务中，要求被试辨认卡片上新出现的图案。实验结果也与近事辨别任务一样，额叶损伤病人比控制组被试的错误更多。

 

源记忆。记忆中，除了存储的内容，与事件有关的背景或情境也被记忆了，这些与记忆内容有关的情境背景记忆就叫做源记忆。源记忆源于额叶的完整，在实验中，要求被试识记某个项目，之后让被试回忆该项目以及相关的情境，发现在源记忆测验上成绩较低与额叶功能较低有关，项目记忆测验上成绩较低与额叶功能较低有关。

在之前的part中，有假设认为工作记忆只是暂时存储来自其他脑区的信息并用这些来进行加工操作，且前额叶皮质对工作记忆来说很重要，而现在发现源记忆任务成绩会受到前额叶皮质的损伤影响，这暗示着可能源记忆要求不同信息源的整合，表征必须被维持才能够发生联系。

 

Part 4 前额叶皮质的成分分析

基于加工内容对前额叶内功能分化的解释。在先前提出过两个复述系统会为了抵达中央执行系统而竞争，这两个系统是视觉空间板和语音环路。视觉空间板会激活物体以及物体的空间表征（物体在哪个位置）；语音环路则是将信息以激活状态维持在言语工作记忆中的加工过程，通常我们会通过内隐（自动无意识地）复述（默念）来维持这一加工。一种基于内容的假说建立于两种皮质视觉系统的观点上：背侧的视觉通路在空间信息（视觉空间板）的分析加工中很重要，腹侧通路则对于物体信息的分析很重要，将腹侧-背侧的差异延伸到前额叶皮质。

基于加工过程的前额叶内功能分化的解释。考察个体按照时间顺序加工信息的过程在头脑中的刺激表征，采用逆序任务，增加个体加工的复杂性。如“n-back”任务，当刺激与第n个项目之前呈现的刺激一致，就需要做反应，例如2-back任务，让被试在随后间隔两个项目出现相同刺激时作反应：A-B-B-A-C-S-D-C-S（红色加粗为需要反应的刺激）。在n-back任务中，被试不仅要保持记忆，还要在工作记忆中进行操作（对比先前刺激与现在的刺激并计算间隔数量）。研究发现，随着n-back任务难度提升，外侧前额叶皮质激活增加。

额叶前部的一些区域（如背外侧前额叶）经常得到研究，但同处前部的额极却少有研究，因为最前端的额极对成像伪迹更敏感使得信噪比很弱。且根据进化规律，最晚进化的前部结构的个体差异会更大，所以或许不能够得出像其他脑区一样普遍性的结论。

另外，工作记忆任务中，简单的可能只会激活后部前额叶皮质区域或刺激运动区，如果进行复杂加工，额极可能也会参与。

Part 5 目标导向行为

额叶损伤会影响个体制定条理分明的行动计划的能力，病人在做目标导向的三个任务时，只拘泥于一项或两项任务而无法完成三项任务。

成功执行一项行为计划，首先需要确认目标并发展出子目标；其次考虑目标中可能的结果是什么再进行进一步地更为具体的选择；最后需要了解为了达成子目标需要哪一些条件。例如，我想要考取心理学研究生（总目标），其下的子目标有：掌握课本知识、学好英语、选定学校……需要的条件有：专业课本等。制定行为计划意味着对可能的子目标同时进行考虑。

目标导向行为，需要认知控制参与：我们要在不同子目标之间转换注意。复杂行为要求我们保持当前的目标，关注与达成目标有关的信息，忽略无关信息，并且还要以协调的方式在不同子目标之间转换。

在对额叶失调的病人进行诊断的过程中，通常会使用威斯康星卡片分类任务。该任务中，给被试呈现卡片，要求被试对卡片分类，但是不会告知被试分类的规则（实验者只会告知“对”或“错”），被试需要在常识错误中探索出分类的规则；而一旦被试掌握了规则（即连续十次作出了正确的反应），实验者又会改变规则（但不会告诉被试规则改变了）。于是，在威斯康星卡片分类任务中，被试必须将当前的信息与之前的信息整合起来才能够推测出规则，在改变规则后，被试又需要抛弃原有规则。额叶损伤的个体在完成这项任务时产生困难，在保留先前反应来推测规则上存在困难，也在规则转换上存在困难（个体会坚持使用旧规则，即使被告知反应错误）。

另一类任务转换实验是，要求被试根据线索来对字母或数字作出反应：如，颜色线索中，红色要求被试对K4中的字母反应（即报告“K”），绿色要求被试对数字作反应；语词线索中，卡片上直接有词语提示，“数字”即报告数字。在该项任务中，颜色线索提示的需要被试看到颜色线索后提取规则相关的记忆（如红色作字母报告），而语词线索则不需要进行这一操作。结果发现在颜色线索任务里，病人转换策略（从红色到绿色的规则转换）要慢得多，说明额叶损伤的个体策略转换上存在困难。不过任务转换实验对于病人成绩较低的原因尚不清楚，该任务成绩低可能是尝试错误学习的策略失败，也可能是无法忽略先前策略。

 

目标导向行为需要对任务相关信息作出选择，Art Shimamura认为，前额叶皮质是任务的动态过滤机制：前额叶皮质负责存储表征，并且选择与当前任务要求最为符合的信息。工作记忆中的注意成分会使得与目标相关的信息被凸显进而更容易得到加工。额叶在选择任务相关信息中起到很关键的作用，额叶损伤的病人则表现出注意某个维度而无法转移到其他与目标相关的维度上，当病人处于多种信息源竞争的情境中时，注意力也很难集中。

另外，在生成任务（让被试根据提示词联想相关的词，如呈现“剪刀”，让被试联想到相关动词“剪”）和重复任务（隔一段时间后复述单词）中，完成生成任务的个体在左侧颞叶有明显激活，说明该区域可能参与语义信息的存储。

 

Part 6 自上而下的认知控制

结合TMS（经颅磁刺激）和fMRI技术，研究额叶内的额叶眼区（frontal eye fields, FEF），发现其在保持现有焦点和新出现的干扰刺激的注意的平衡之间有重要作用，也就是说，FEF对于个体将注意集中于当前刺激（或从被暂时夺去注意的新干扰刺激中转移回来）有重要的作用。

自上而下的控制可以通过一直控制来进行。抑制控制是对某类刺激的抑制，如当我们对某个刺激进行加工时，就需要在注意该刺激的同时抑制先前呈现的刺激。额叶损伤的被试会导致抑制控制的激活产生延迟，更难对当前刺激做出判断。

另外，呈现面孔或风景图并让被试记忆的任务中，发现指导语指定的任务目标能够通过增强任务相关信息或者抑制任务无关信息对知觉加工进行控制：让被试注意面孔时，海马旁回位置（位置刺激会激活的脑区）激活下降，梭状回面孔区激活更强；而让被试注意风景时，则出现了反转效应。

为了进一步研究自上而下控制中前额叶皮质的作用，将工作记忆任务和选择性注意任务结合在一起：呈现一串数字给被试让被试记忆（工作记忆），之后呈现面孔图并在面孔上显示某个名人的名字让被试判断该名字是政治家还是明星（选择性注意任务，该任务让被试抑制对面孔的反应，注意显示的名字）。结果发现，当工作记忆任务的要求越高，被试在选择性注意任务中对无关面孔图的FFA（梭状回面孔区）反应更大。这表明当前额叶忙于某一任务（如工作记忆保持）时，抑制无关信息（面孔）的能力会受到削弱。

抑制控制的一种形式是对动作的抑制。研究动作抑制的实验范式之一是停止信号任务：被试需要根据不同的提示来反应或停止反应，停止反应往往是对先前规则的一种放弃（如看到红色要按键反应，之后转换任务，看到红色不反应）。在停止信号任务中，有三种可能情境：一是正确反应；二是成功停止（不需要反应时被试不反应）；三是失败停止（不需要反应但是反应了）。研究发现，额叶损伤病人在放弃原有规则上比正常人要慢，且影响反应的与右侧额下回损伤（而不是左侧额下回损伤）有关。不过，在停止的两种情况（成功停止和失败停止）中，都出现了右侧额下回激活，只是在失败停止中，高激活出现在刺激最初呈现时，说明即使是在失败停止中，右侧前额叶也都产生了停止命令，只是运动皮质的最初激活水平会产生快速反应（动作抑制失败）。

Part 7 保证目标导向行为的成功

Norman和Shallice提出了反应选择模型，该模型中，有四个模块，分别是知觉输入系统、竞争调度模块、监控注意系统（supervisory attentional system, SAS）和图式控制单元：知觉输入与图式控制单元联系，如我们走进咖啡厅后，知觉输入激活相应的图式控制单元让我们去寻找座位坐下点单；竞争调度是被动的过程，当两个图式控制单元产生冲突时，就会需要竞争调度，只有一个图式能够赢得竞争并产生动作；监控注意系统，根据任务强调情境中目标的重要性以分配不同的加工资源。

监控系统重要的成分之一是内侧额叶皮质中的扣带前皮质，在分配注意任务中扣带前回的激活最为显著。另外，内侧额叶皮质还提供与错误相关的电生理信号。当人们做出错误反应时，就在运动发起后，前额叶皮质处的脑内扣带前回有一个很大的诱发反应，这个信号也被称为错误相关负波（errorrelated negativity, ERN）。ERN在被试没有意识到错误时是不会出现的，只有在被试意识到自己反应错误了，才会产生，且其大小与不正确反应的强度有关。

之后的研究发现，ERN并不只是局限于错误的情境中，在Stroop任务中也会被激活。于是Jonathan Cohen等人假设，内侧额叶皮质的功能应该是反应冲突，而错误也是一种冲突情境。在困难和新异的情境中，会产生较高的反应冲突，当监控系统检测到冲突程度提升，则会提高注意警觉。

采用侧抑制任务（fanlker task）研究，即中间目标刺激与周围干扰刺激的一致性作为变量（一致如AAAAAAA，不一致如HHHAHHH），发现内侧额叶皮质在不一致试次中的神经活动高于一致试次，这说明了内侧额叶皮质的激活其实是监控，而非专属于错误。

对Stroop任务进行改良，研究目标选择和反应冲突的相关神经机制：要求被试按照线索来对刺激进行反应，如果线索是“颜色”，则被试需要说出刺激的颜色（例如，红色，被试需要报告“绿色”），如线索是“词语”，则被试要说出词语（如，红色，被试需要报告“红色”）。在这项Stroop任务变式中，有两个自变量：一个是任务难度，假设读词要比报告颜色容易；另一个是颜色和词语的一致性。结果发现，在刺激呈现阶段，扣带前回（ACC）在不一致条件下的激活要大于一致条件，说明ACC的激活受到反应冲突影响；当前面的试次是不一致条件时，与前面的试次是一致性条件相比，在接下来不一致条件中ACC信号降低，这可能是因为不一致试次引起工作记忆中任务目标的记忆更强一些，使得被试在接下来的试次中对无关信息过滤更强，所以引发的冲突降低了。总的来说，目标导向行为的内在机制可能是：刺激冲突会引起内部监控加工（即内侧额叶激活），监控系统过滤了无关信息，之后由外侧前额叶表征目标任务。

随后，研究者将监控注意系统改善为“冲突监控假说”，认为核心机制通过持续地对不确定的水平进行评估来进行认知控制，修改后的理论假设可以解释更多的现象。

在近期的研究中还发现，扣带前回的激活与被试预期到可能发生的而错误相联系，而与冲突无关，内侧额叶皮质可能提供了认知和唤醒的边界，并且根据当前情境调节自动激活。