工作记忆.2017.11.19
这是我在初中计算机课程中，和学生做的一个实验游戏，用以解释图型密码的由来及其优缺点。后来还做了一个触觉记忆的实验，由于篇幅的关系本文暂不收录。在资料收集的过程中发现，早期的学者喜欢用具体的模型来作解释，好处是容易明白，但是有其局限性。现在的学者普遍都以数学函数来表达认知加工及其结果。
工作记忆Working Memory是我们每天醒着的时候经常会使用到的一种短期记忆,通常是暂时存放于大脑,方便做信息处理操作或运算核对的场所。想象你上菜市场买菜,工作记忆就存放着当日需要采购的项目,可以让你一边买菜时一边作核对,这样就能防止漏买任何一样菜色。选购完毕时,菜贩心里计算着你所选购项目的总价时,也是运用工作记忆来做心算。当你付完钱后,发现比你预估的花费还要少时,很开心的在心里鼓励自己:”你真是一位省钱达人,省下的菜钱很快就可以买心爱的手机了,加油!"。心里暗自对话的这个时候,也是使用工作记忆,可见我们日常生活会用到工作记忆的地方是无所不在。如果仔细分析平时工作记忆存放的内容,将会发现这些记忆的项目不但是我们当下意识的焦点,同时也与我们的注意力有密切的关联。
上述有关自我对话的论述是根据心理学家维高斯基(Vygotsky)的认知发展论,一般人内部对话的能力,最早始于2-3岁牙牙学语的幼儿时期。此时的幼儿开始学习整合分属不同系统的思想与语言, 当进行一项困难的认知行为时,幼儿通常会对着自己喃喃自语并记下该语句所代表的现象与意涵。当年纪更大时, 喃喃自语的行为会因内化(internalize)而不再说出声音来,在心里喃喃自语的现象便慢慢发展成内部自我对话。底下图1有一组7位数的计算机开机密码,请利用20秒钟的时间,默默的记下这组密码,然后闭上眼睛大约10秒钟之后,再将记住的密码在计算机屏幕前唸出来,然后张开眼核对密码是否正确? 请按照上述方法跟着做做一次。
如果能在时间内正确唸出密码的人,大部分是使用相同的记忆方法。如果你回想如何记住这组密码的过程，你会发现大部分的人先在心里默唸这些数字, 为了记住这些数字更久一点, 会在心里面复诵刚刚默唸的声音,直到说出答案来为止。这样一系列的动作,实际上已经使用到工作记忆的一部分了。工作记忆属于短时记忆(Short-term Memory), 当我们在做心算、语言的理解和做一连串复杂且须按照顺序的动作时都会用到它。它的特性不仅是记忆的时间很短暂,就连容量也十分有限。因此在做与其相关的思考和记忆的任务时,就会侷限于它有限的资源。工作记忆可同时间处理的事情也限制在某种程度里,有些任务可以同时一起运行,但是有些任务在同时运行的时候,会因为争夺有限资源的特性,而造成互相影响彼此执行的效能。例如在阅读一段文章时,假如旁边也有人同时唸出多组完全不同的数字组合,并且要求你完整无误的记住文章的内容与那些口述的数字组合时,其结果一定会非常不理想,不是顾此失彼就是两边的内容都无法记住。
心理学家Alan Baddeley大概是研究工作记忆的先驱,他就是根据许多实验的结果,而提出了工作记忆不只仅有单一一个暂存空间的假设,他所建立的这个工作记忆模型(Baddeley Working Memory Model)里,就有一个执行部门与三个暂存的记忆空间(如图2):
第一层是中央执行部门(Central Executive),专门负责掌控和分配所有工作记忆系统中注意力的运用。以注意力的集中、注意力的区隔和注意力的转换...等方式,来管理并分配注意力给系统里不同的暂存资源。
第二层有视觉空间素描板(Visuospatial Sketchpad)、情节暂存(Episodic Buffer)和声韵回路部门(Phonological Loop)。
第三层有解译感觉、视觉与空间讯息的视觉语意(Visual Semantics),储存视觉、听觉与感觉等综合信息的情节长时记忆(Episodic Long Term Memory)和负责我们语言之听、说、读、写能力的语言系统(Language)。
当我们看到非语言类的信息时,都会暂时先存放在视觉空间素描板里,里面有感觉信息(包含肌肉动作与操作程序...等等)、视觉信息(包含物体的颜色、形状、与长度...等等)和空间的信息(包含方向、位置、距离与速度...等等)都分别在视觉语意系统里,被辨识其意义与解读其内涵,此处也是空间图像与语言文字的转译中心。
情节暂存不仅是提供汲取长时记忆的通道,而且可以整合声韵部门与视觉空间素描板的信息,也就是我们平常所见所闻与所感觉到的信息,然后再汇整储存于情节长时记忆里。
声韵回路部门是一个暂存空间,专门存放声音、音乐及口语...等信息。其中还包含两个子系统,声韵存放(Phonological Store)此区域的功能仅作为声音类信息之暂时存放空间, 其特性是有容量的限制,而且会消失的非常快,大约1-2秒一闪即逝,因此常被形容为记忆的轨迹。另一个子系统是音节复诵机制(Articulatory Rehearsal Mechanism),其功用即在声韵存放的声音信息即将消失前,再次默唸播放声韵存放内的声音信息,用以保存其轨迹。假使想将声音信息保存久一点的话,就需要一直重复这个循环直到结束为止,所以这个重复背诵的过程就叫音节复诵。口语声音的产生与辨认,都必须进入大脑的语言系统作信息的存取,此部分与语言的经验、语言的知识以及其认知功能有关。
刚刚那个开机密码还记得吗? 如果忘了也很正常,说明工作记忆短暂的特性。这也是声韵部门运作的特质: 能很快的马上记住,会比以视觉空间素描板还快,但是忘记的速度也很快。一般人的工作记忆平均一次最多能同时记住5-9个数字, 如果字数过长或者是彼此发音类似也会影响记忆的速度,不信的话可以试试底下这行字符串,相信一定比上面的开机密码还难记:
D B C T V P G K F Y L R Q
声韵回路部门大概会在大脑的哪一区呢? 根据一组fMRI大脑功能磁共振显影实验显示(如图3),给受测者一个陌生的电话号码让他call,在受测者拨打电话号码之前,必须记得这个电话号码,结果大脑左半球的Broca区和Wernicke区显得比大脑其他的地方还要忙。可见Broca区有一部分的功能就是音节复诵机制,因为此区是负责管理语言的产生,在此实验中是负责默唸电话号码。而Wernicke区有一部分的功能就是声韵存放,此区是作为语言的理解中心,负责储存及解释所传入的语言和文字的信息,在此实验中是负责暂存电话号码。
图3.图片撷取自William H. Calvin and Derek Bickerton, Lingua ex Machina: Reconciling Darwin and Chomsky with the human brain, MIT Press, 2000
如果以上面那个背诵字符串为例子,首先DBCTVPGKFYLRQ字符串会由视网膜进入步骤1a的初级视觉皮质(Primary Visual Cortex),再到步骤1b的V2视觉区,然后再传送字符串讯息到步骤2的角回(Angular Gyrus),先在此区将辨认出来的字转换为声音信息之后,再进入步骤3的Wernicke区做语意理解,再透过弓状束(Arcuate Fasciculus)将这些分辨出来的字符串信息送到步骤4的Broca区。Broca区就会依照分辨出来的讯息,发出正确的声音。然后声音就在Broca区与Wernicke区之间,安静的复诵并同时来回传送,形成一个声韵的回路。直到必须说出此字符串时,字符串的信息才会由Broca区传送到步骤5发声运动区(Vocalization Motor Area),再透过声带及嘴巴将字符串正确的说出来。(如图4)由于这个字符串较长,而且当复诵的信息传送到声韵存放的过程中,因为字句的声音彼此相近,以致于字句的辨识受到干扰而影响到背诵的速度。为了加速完成此任务,有人可能会采取分段复诵的方式,也有人可能会采取渐增式复诵的方法或者会用声音语意关联法来复诵,采用的方法可能因人而异,但是声韵回路所使用复诵的基本原则并没有受到改变。
图4.取材自脑的美丽境界 http://www.brainlohas.org/wonderfulbrain/guide_b.htm
但是, 并不是所有的人都是使用声韵回路部门来记住密码的, 在一群平均13岁左右的初中一年级学生里做上述的实验, 仅有极少数的学生(200位学生中占1％)是利用计算机数字键盘如图5，以数字顺序的轨迹来记住密码, 而不是一般在心里或口中默唸的方式来帮助记忆的。
再仔细观察利用此记忆方式的人会发现, 在记忆数字顺序的过程中, 有些人会出现手指轻轻跟着滑动的现象, 有些人则是出现头部轻轻摆动的现象, 另一部分人则出现眼珠跟着轨迹移动的现象。
此种方式涉及了视觉空间记忆, 也就是工作记忆模型中视觉空间素描板的部分。详细情形只要我们实际做一次实验就会明白其中的奥秘。 等一下底下的影片会有一组按键, 请记下手指指向按键的顺序, 准备好了就可以开始按视觉记忆测试1。
相信记住这组4个按键的顺序位置绝对不会难倒你的, 但是视觉空间记忆也一样, 在同一时间内同样只有5-9个数量的记忆限制, 个数多的话会增加记忆的困难度, 不信试试记住底下这组按键的顺序, 准备好了就可以开始按视觉记忆测试2。
第二组按键顺序,如果没办法看一次就记住是很正常的, 因为之前的受测者平均都看了2-3次才将按键的顺序记下。为什么刚刚记忆的过程中有人会轻轻的以手指滑动这些方法来帮助记忆? 首先, 我们先来了解我们视觉运作的方法。 当我们的头颈保持不动的姿势, 两眼自由游动会形成眼前的一片双眼视野。(如图6) 左半边的视野视讯会进入右半边的初级视觉皮质, 而右半边的视野视讯则会进入左半边的初级视觉皮质。
图6. 取材自网络
视野内的影像讯息在大脑内的传送路径: 先进入视网膜--> 视神经 --> 外侧膝状体 --> 初级视觉皮质。所有视野的影像讯息集中进入视觉初级皮质之后会分成两路, 其中有一路往顶叶方向走称为背侧通道(Dorsal Pathway), 另一路往颞叶方向走称作腹侧通道(Ventral Pathway)。(如图7)当视野内的视觉信息汇集到初级视觉皮质时, 有关视野内物体的动作、方向、速度和位置等信息会整合到V2视觉区、V3视觉区及内侧视丘枕(Inferior Pulvinar)经由背侧通道再传送至V5视觉区。V5视觉区又名中颞区(MT)专职移动目标的信息之分析, 也负责3D移动信息的解析。这些信息再透过背侧通道传递至后顶叶皮质(Posterior Parietal Cortex), 此处不仅是扫视标的空间位置的记忆暂存, 而且与选择第一个自主眼动的目标地点有关。因为本实验所采用的是目标导向(Goal-directed visual attention)视觉注意力(*注1), 因此当手指按键的视讯出现时, 视讯是被传送到后顶叶皮质, 手指在视觉空间素描板的位置一旦被确认后, 大部分的视觉注意力也被启动, 接下来视讯会被传送到额叶眼动区(frontal eye field), 然后启动一个自主眼动讯号, 将目光移至手指的按键位置。
此时大脑内部有关按键顺序的视觉素描板于是形成, 双眼的视野就是那块素描板(视觉素描板模型如图8), 每一次手指指向的按键位置都按照顺序重复的写入素描板内(每一次的视野纪录就是模型中的视觉暂存), 大脑内部的那块看不见的素描板就会由模型的内部复写器记录下每一个按键在视觉素描板内的出现顺序与相对的空间位置(实际的情形如图9)。当然图8的素描板模型并不十分完备, 譬如此模型只能针对与观测者保持一定距离的视野平面, 无法表达目标物做靠近或远离观测者(受测者)的运动轨迹, 或许这也是为什么Alan Baddeley教授没有完成工作记忆模型中视觉空间素描板的原因之一。
在同一时间, 当视野内的视觉信息汇集到视觉初级皮质V1时, 会有另一路的视讯是走腹侧通道, 视讯的内容包含视野内物体的特征、颜色、形状及大小等信息。信息首先会整合到V4视觉区, 再经由腹侧通道到达颞叶皮质下侧, 走此通道的目的主要是辨识物体是何物。
图7. 取材自网络
图8. 取材自网络
那么刚刚视觉记忆的过程中, 眼珠跟着轨迹移动的现象其实是在重复视觉素描板内部复写器的复写顺序, 以此来达到延迟记忆(视觉空间复诵)的目的。如果以fMRI大脑功能性核磁共振显影技术,检视受测者在执行延迟记忆时大脑的变化, 会发现背侧额顶叶系统Dorsal Frontoparietal System,也就是额叶眼动区FEF与顶内沟Intraparietal Sulcus这两个区块特别活跃(如图10)。
取材自https://images.nature.com/full/nature-assets/nrn/journal/v3/n3/images/nrn755-f3.gif
*注1: 视觉选择性注意力有两种, 目标导向Goal-Directed与刺激驱动Stimulus-Directed
参考资料:
Alan Baddeley(2012) Working Memory: Theories, Models, and Controversies.
Alan Baddeley(2007) The Working Memory Model: The Development of Working Memory in Children.
Nelson Cowan(2008) What are the Differences between Long-Term, Short-Term, and Working Memory.
Corlanne Rogalsky, William Matchin and Gregory Hickok(2008) Broca’s Area, Sentence Comprehension, and Working Memory: an fMRI Study.
Lain DeWitt and Josef P. Rauschecker(2013) Wernicke’s Area Revisited: Parallel Streams and Word Processing.
Bradley R. Buchsbaum(2013) The Role of Consciousness in the Phonological Loop: Hidden in Plain Sight.
Donald T. Stuss(2011) Functions of Frontal Lobes: Relation to Executive Functions.
Maurizio Corbetta and Gordon L. Shulman(2002) Control of Goal-Directed and Stimulus-Driven Attention in the Brain.
Radek Ptak(2012) The Frontoparietal Attention Network of Human Brain: Action, Saliency, and a Priority Map of Environment.
Arvid Herwig Miriam Beisrt and Werner X. Schneider(2010) On the Spatial Interaction of Visual Working Memory and Attention: Evidence for a Global Effect from Memory-Guided Saccades.
