任務切換機制研究的理論爭議與整合

黃四林 林崇德

摘要任務切換是執行控制的一種重要功能。切換代價是量化執行控制持續時間的指標，并廣泛應用于各個研究領域。但是切換代價在多大程度上體現了執行控制的作用，仍然還存在爭論，當前主要存在任務設置重構、任務設置慣性和聯結競爭三種理論。本文首先介紹了三種理論的基本觀點和實驗證據。以及對任務切換加工機制的分析；其次闡明了對三種理論進行整合的相關研究；最后分析了進一步研究的方向。

關鍵詞任務切換。切換代價，剩余代價，執行控制。

分類號B848

1引言

在現實生活中人們往往需要同時完成兩個或兩個以上的任務，必要時改變執行的任務，并且需要在瞬間從一個操作任務切換到另一個操作任務。于是，在工作記憶中兩項任務同時競爭同一認知資源，為保證任務順利進行需要中央執行系統對認知加工過程進行協調控制、調節和修正反應。中央執行系統的這種功能被稱之為任務切換(task switch-ing)功能。最早對任務切換進行研究是1927年Jersild的實驗。但是直到最近十年來，學者們在研究中央執行時發現，任務切換是研究執行控制的一個重要范式。才開始對其系統地研究。

在典型的任務切換實驗中。要求被試注意、判斷、歸納、記憶或計算刺激的不同屬性或成分，當刺激序列中出現一個刺激時。被試按照實驗的要求執行任務。有時需要快速地從一個任務切換到另一個任務，有時重復執行相同的任務。眾多研究發現，被試執行切換任務比重復任務的反應時更長，錯誤率更大。研究者把在任務切換過程中反應時或正確率的虧損稱為切換代價(switc cost)，即切換任務的反應時或錯誤率與重復任務的反應時或錯誤率之差。根據減法反應時的邏輯，切換代價反映了在執行切換任務中包含有重復任務所沒有的加工階段，即中央執行系統在切換過程的作用。根據這個思想，切換代價是量化執行控制持續時間的重-要指標，并且廣泛應用于各個研究領域。

由于執行控制的復雜性。使研究者對其在任務切換過程的作用，仍然存在爭議。圍繞著這些問題，眾多研究對任務切換的機制進行了大量的研究，以揭示切換代價產生的本質。本文試圖從以下兩個方面對任務切換機制的行為和腦成像研究進行梳理和評價：第一。主要介紹三種理論的基本觀點和實驗證據，以及對任務切換加工機制的分析；第二，介紹對三種理論進行整合的相關研究。最后，分析已有研究存在的問題及未來研究方向。2對任務切換機制研究的爭議

爭論的實質是，切換代價在多大程度上體現了執行控制的作用。目前主要有三種理論：任務設置重構(task-set reconfiguration，TSR)、任務設置慣性(task-set inertia，TSI)和聯結競爭(task-set priming associative retrieval)。任務設置重構理論強調執行控制在切換過程中的作用，即自上而下的控制(top-down control)；任務設置慣性理論強調之前任務設置激活的延遲效應(carryover ef-fect)，即來自持續激活的自動控制；聯結競爭理論強調刺激一反應聯結(S-R association)的作用，即自下而上的刺激驅動。

2.1任務設置重構理論

2.1.1基本觀點

Monsell和Meiran等人提出了任務設置重構理論，強調切換代價反映的是內源性的(endoge—nous)、自上而下的執行控制過程。任務設置(task-set)指的是某種任務的刺激一反應映射的內在表征，它能提供一種內在的情境性結構使人們偏向于選擇與任務有關的刺激特征和反應，從而形成連貫性的目標取向的行為。只有采用了適當的任務設置，才能夠使人們選擇、聯結和構建一系列心理加工資源以有效地完成新任務。該觀點認為，相對于重復任務只需保持之前任務設置而言，在執行切換任務時首先需要一個“任務設置重構”的過程，它包括注意的轉移，將當前任務的反應規則提取到工作記憶中以改變之前的反應規則，以及抑制之前任務設置，并激活當前的任務設置。他們認為正是這個額外過程的存在導致了切換代價，也就是說，切換代價反映了為完成切換任務設置的重構所導致的虧損。

2.1.2任務設置重構的證據

根據重構觀，如果在執行切換任務之前有充分時間進行重構，切換代價會顯著減少，這就是所謂的準備效應(preparation effect)。眾多研究已證實了準備效應的存在。但是有研究發現在準備時間為600ms或者更長時間之后，切換代價的減少似乎形成了一條穩定的漸進線，不再減少，這就是剩余代價(residual cost)。有的研究表明，即使是當準備時間長達5s，仍然存在穩定的剩余代價。

對于剩余代價，Monsell等人認為任務設置重構包括了內源性的控制和外源性的控制兩個部分。在刺激之前且在無靶刺激的預先信息情境下，人們可以根據自己的內在意向來完成任務設置重構，這是內源性控制。但是，另一部分任務設置重構必須等到靶刺激出現之后才能執行。從而導致了剩余代價，因此它反映了外源性控制。Rubinstein等人研究發現，剩余代價是由于在刺激出現后。被試需要把刺激一反應規則提取到工作記憶的加工過程而導致的。

腦成像技術的采用，為任務設置重構觀點提供了信息加工腦機制的證據。如Karayanidis等人在一項ERP的研究中發現，在反應一刺激間隔(re—sponse-stimulus interval。RSI)出現了特定于切換任務的差異正波(differential positivity)在頂葉最大，并且在前一個序列反應之后的400ms左右達到頂峰。Nicholson等人使用了任務線索范式研究發現，位于頂葉的切換正波受到線索一刺激間隔(cue-stimulus interval，CSI)(150ms到600ms)操作的影響，但是不受RSI的影響(750ms到1200ms)。這說明位于頂葉的切換正波受到對接下來任務準備的影響，而不受之前序列的延遲效應時間的影響。由此可見，兩種任務確實存在不同的腦機制。Aron等人在一項對腦損傷病人與正常人的fMRI對比研究中揭示了重構過程的腦激活區，發現對抑制任務設置的敏感區是右側額下回(rightinferior frontal gyrus，IFG)，而對自上而下控制任務設置的敏感區是左側額中回(left middle frontalgyrus，MFG)。

2.1.3任務設置重構的加工機制

準確刻畫任務設置重構的內在加工過程或機制，有利于揭示切換代價的本質，這類研究主要集中在兩方面：一是從整體上探討任務設置重構過程；二是分析重構發生的具體時間和階段。但是在這兩個問題上，又各自存在著兩種不同的觀點。

首先，對于任務設置重構存在階段性加工與

“全或無”(all or none)過程之爭。一方面，有研究認為任務設置重構是具有階段性的序列認知加工過程。如Rogers和Monsell提出了兩步驟模型(two-step model)，即在目標取向條件下既有在靶之前預先準備的內源性控制，又有靶驅動的外源性控制。Hubner認為任務設置是逐步準備的過程，因為隨著可預期內容的增加，被試的反應會加快。Nicholson等人的一項ERP研究支持了階段性加工的觀點，他們通過把線索分為“切到線索(switch-to)”和“切離線索(switch-away)”兩種類型，結果發現，與重復任務腦波相比，對于切到和切離序列，位于線索的差異波出現了更大的普遍的差異正波。但是，只有在切離序列上差異正波的晚期部分顯著下降，并且差異正波在刺激開始之后才出現嗍。這說明，對于切到序列，在刺激出現之前就開始使用了新的任務設置，但是對于切離序列，這個過程被延遲直到刺激開始之后才進行。從而導致了切換代價的增加。這個研究把重構加工有效地分離成了兩部分：即切離當前任務設置和切到另一個新任務設置。

另一方面有研究認為，在準備時間內，被試必須將反應規則提取到工作記憶中以有效完成任務重構，但提取是一個全或無的過程。提取成功，在刺激呈現之前就能完成任務設置重構，那么，兩類任務的反應時無顯著差異；提取失敗，重構必須等到刺激呈現之后才能完成，那么切換任務的反應時顯著延長。導致了剩余切換代價。因此，他們認為任務重構也是一個“全或無”的過程。Goffaux等人在一項ERP實驗中驗證了此結論。根據上述所說的觀點。他們假設，如果兩類任務的差異在于重構加工。那么當兩類任務反應時相等時，在靶刺激呈現之前、位于線索的腦波應該存在顯著差異；進一步假設，如果重構在靶呈現之前已完成，那么位于靶呈現之后的腦電波應該無顯著差異。Gof-faux等人發現，當兩種任務反應時無顯著差異時，位于線索間隔內的負慢波(negative slow wolfe)的波幅在重復任務之前顯著大于切換任務，但是在位于靶間隔內的腦電波卻無顯著差異(如P3b)㈣。

其次，在探討任務切換的加工過程的同時，一些研究試圖更加清晰地聚焦設置重構的具體認知加工環節及發生的時間。如Rubinstein等人認為，特定切換任務的加工有兩個成分，即目標轉移(goalshifting)和規則激活(rule activation)。如果準備時間充分和任務切換是可預期的，那么目標轉移會在刺激開始之前發生，但是規則激活卻不在刺激開始之前發生，而是在刺激之后，從而導致了剩余切換代價。他們進一步推測，這個額外的控制過程介于刺激識別結束與反應選擇開端的之間㈣(圖1-B)。

另一種觀點認為，特定于切換任務的額外加工是改變當前刺激中與任務有關維度的傾向，即刺激設置傾向(stimulus-set，S-set biasing)，而且它出現在刺激識別階段的開始之前。刺激設置傾向在線索一刺激間隔(CSI)內進行調整且在刺激識別之前完成M(圖1-C)。

2.2任務設置慣性理論

2.2.1基本觀點

Allport等人提出了任務設置慣性觀，強調切換代價反映的是外源性的(exogenous)刺激驅動過程。他們認為任務設置在執行后一段時間內還會存在，形成了一種自動化的延遲效應。之前任務設置的持續激活有利于完成重復任務，卻干擾了切換任務執行，只有對此進行額外抑制，才能進行切換，這使得切換任務的反應變慢，即切換代價。他們進一步推測，這種之前任務設置激活的延遲效應并不受被試的控制。它是一種自動化的、外源性

2.2.2任務設置慣性的證據

支持此觀點的研究主要有兩個方面：一是通過揭示在執行當前任務的同時存在對之前任務設置的抑制，另一個是通過操縱預先信息研究發現并不存在重構觀所強調的特定切換任務的重構。

Allport等人采用了Stroop任務研究發現，從顏色命名切換到讀詞所導致的切換代價。顯著大于從讀詞切換到顏色命名所導致的切換代價。這種切換代價的不對稱性，表明被試更難切換到比較容易的任務(讀詞)中去。有研究在用母語和第二語言命名數字的實驗中，發現被試更難切換到母語命名的任務中去。為什么切換到更熟練的任務時，需要花費更長的時間呢?Allport等人根據任務設置慣性觀來說明這種現象，認為被試在完成不熟練任務(顏色命名或第二語言命名)時需要對來自熟練任務(讀詞或母語命名)的干擾進行額外的抑制。因此不熟練任務的設置中包含了對容易任務的抑制成分；接下來，如果再從不熟練任務切換到熟練任務時，則需要擺脫之前對它的抑制，導致反應變慢。上述這種觀點在返回抑制(sackward-inhi-bition)研究中得到了證實。有研究發現，ABA中的最后一個任務A的反應慢于CBA中任務A的反應。這表明當前任務的執行同時存在對新近執行的序列抑制。此抑制用來脫離新近的任務設置，從而順利進行接下來的任務設置。Swainson等人采用fM-RI技術與go/nogo任務。發現克服之前反應抑制的區域是后部ACC(caudal ACC)。抑制的發生，說明了之前任務設置持續激活的延遲效應。

為檢驗是否存在特定切換任務的設置重構，一些研究考察了事件信息對任務切換的影響。事件信息的操縱包括序列性任務的可預測性(sequentialtask predictability)和提示線索的有無兩種類型。Ruthruff等人采用交替轉換范式(AABBAA)，并在可預測的任務序列中偶爾插入未預料的任務(未預料的重復AABBB和未預料的切換AABA)。他們發現，任務預期對兩種任務具有同等程度的影響效應。即不存在特定切換任務的準備效應。對線索的有或無進行操作的研究，獲得了與此一致性的結論。有研究以單側化準備腦電位(lateralizedreadiness potential，LRP)為指標，發現并沒有特定于切換任務的準備優勢，而是在反應選擇階段上對于兩種任務具有等同的準備效應。Brass等人采用腦成像定位發現，與準備有關腦激活區是左側額下聯合(left inferior frontal coniunction)與前輔助運動區(pre-supplementary motor area，pre-SMA)，但是這些區域的激活并不特定于切換任務，而是任務準備。

2.2.3任務設置慣性的加工機制

根據任務設置慣性的觀點，切換任務與重復任務具有類似的加工過程，所不同的是，對于切換任務，由于之前任務設置激活的延遲，導致了當前任務的某個認知加工環節被延長了。那么，持續激活的具體成分是什么?被延長的認知加工環節又是什么?

一些研究者采用go/nogo或stop-signal任務。

使得此問題的研究獲得了突破。go/nogo任務要求對隨機呈現的某一刺激做出反應(go反應)，對另一個刺激不做出反應(nogo反應)。Stop-signal任務，要求對go信號做出反應，但是一旦出現stop信號，則需要立即停止反應。在這兩種范式下，任務序列n-1分為go反應和nogo(或stop)反應兩種類型，通過比較任務序列n(go反應)的反應時和錯誤率，以考察之前任務反應對接下來任務成績的影響。有研究發現，在nogo序列之后的切換序列不僅沒有出現切換代價。而且當ABA-CBA中B為nogo序列時，對ABA中最后一個任務A的反應不再慢于對CBA中任務A的反應。這些說明，之前任務設置中是反應選擇導致了切換代價。

Sohn等人推測當前任務中被延長的認知加工是反應選擇(見圖1-D)。Ruthruff等人通過對任務的可預測性進行操縱的研究結果進一步支持了此結論，但是他們認為，并不能完全排除任務設置重構加工存在的可能性，這種可能性只有在對即來任務無法預測的條件下才會出現。而且在刺激開始之后就發生了重構過程(見圖1-E)。

Hsieh等人采用ERP手段，以兩個事件相關電位(19300和lateralized readiness potential，LRP)為指標進行了一系列研究，進一步支持了反應選擇被延長的結論。他們以P300波峰的潛伏期作為刺激分類加工完成的指標，LRP的開始作為特定手反應準備開始的指標。其中，位于刺激間隔的LRP成分(Js LRP interval)對影響早期加工(如刺激識別和反應選擇)的因素比較敏感；位于反應間隔的LRP成分(R-LRP interval)對影響后面加工(如發動執行)的因素比較敏感(見圖2)。結果發現，S-LRP interval在切換任務上顯著地長于重復任務，而R-LRP interval無顯著差異，這說明被影響的認知加工在發動執行之前；P300波峰的潛伏期在兩種任務上無顯著差異，這說明刺激識別之后的加工被延長了。結合圖2中可以得出。與反應選擇有關的認知加工被延長了。

2.3刺激一反應聯結競爭理論

2.3.1基本觀點

Allport等人提出了刺激一反應聯結競爭理論，認為當刺激對應多個反應聯結時，被試在執行不同任務中遇到相同刺激時就會產生切換代價，主要是由于刺激一反應聯結在提取過程發生沖突，解決這個沖突的過程導致了時間的虧損。

具體地說，當靶刺激是雙向(bivalent)刺激(每個刺激對應兩種反應可能)時，在所有的序列中包括切換任務和重復任務都存在競爭，最后被執行的是競爭勝出的任務。并且每執行完一個任務，其對應的聯結會得到加強。例如，如果任務A對應于重復序列，則它在之前的序列中得到了加強，相對更容易在競爭中勝出；反之，如果任務A對應于切換序列，在之前得到加強的是另一任務，任務A競爭勝出更為困難，相應的耗時更長，于是產生了切換代價。

2.3.2刺激一反應聯結競爭觀的證據

Jersild最初研究任務切換時，使用了兩套任務，一套任務是數字加3或減3；另一套是數字加3或報告給定形容詞的反義詞。前一套任務中每個刺激對應著兩種可能的反應，稱為雙向刺激；后一套任務中每個刺激只對應于一種反應。稱為單向刺激。研究發現，在前一套任務中發現了切換代價，而在后一套任務中沒有發現切換代價。

即使同一個刺激對應的多種反應一刺激聯結不是同時出現，而是先后出現在不同區組內，也同樣會出現競爭效應。Waszak等人采用了圖畫一單詞的Stroop任務，如卡片上圖畫為鼻子，單詞卻是tongue(舌頭)。在第一個任務區組中，要求被試給圖畫命名而忽略卡片上的單詞：在第二個區組中進行單詞閱讀任務，那些先前在圖畫命名中出現的卡片，使被試的單詞閱讀任務產生了切換代價。而在圖畫命名中沒有出現過卡片，被試的單詞閱讀任務沒有產生切換代價。此結果表明，先前圖畫命名任務中的刺激一反應聯結，在隨后任務中與單詞閱讀任務的刺激一反應聯結發生競爭，導致了切換代價。有研究采用go/nogo任務和腦成像技術發現，對加工反應沖突的敏感區是前部ACC(rostral ACC)。

與Stroop任務不同，Koch等人采用了在難度上具有對稱性的數字大小和奇偶判斷任務，在前4個block中，被試固定地進行每個刺激對應一個任務，如3只判斷奇偶，當第5個block時，刺激一任務對應突然改變，如3只判斷大小。通過這種變化刺激一任務匹配，比較第4個和第5個block的任務執行成績，結果發現反應時和切換代價都顯著增加。這進一步驗證了基于刺激的啟動的存在。

3對三種理論的整合

上述三種理論分別從不同的出發點考察了任務切換的機制和切換代價的本質：任務設置慣性關注前一個任務設置持續激活的延遲，任務設置重構強調對接下來任務的準備。而聯結競爭主張刺激一反應映射之間的沖突。任務加工過程如果是序列性認知加工，它們可能分別發生在任務切換加工的不同時間過程中。由此可以推測，這些因素可能共同影響了任務切換的過程，并導致了切換代價。使用單一因素模型來模擬任務切換的機制，只能反映切換代價的某個側面。于是，一些研究者在繼續深入分析某個環節的認知加工機制的同時，開始尋找一種能夠綜合多個因素的模型，更為全面地擬合任務切換的機制。

3.1切換代價的多成分

任務線索范式的使用，有效地整合了任務設置重構和慣性兩種理論。在任務線索范式內，前一個任務的反應到接下來靶刺激的出現間隔(RSI)可以分為反應一線索間隔(RCI)和線索一刺激間隔(CSI)兩部分。對切換代價的本質，任務設置重構強調準備時間(CSI或者RSI)內的重構，而任務設置慣性認為是之前反應的持續激活在反應之后的一定時間內(RSI或者RCI)的延遲。Meiran等人通過分別操縱了RCI和CSI間隔，結果發現，隨著兩個間隔的延長，切換代價都顯著減少。但是他們認為。二者減少的內在機制不同，RCI反映了之前任務設置激活的延遲，而CSI反映了對接下來任務的準備；同時還發現，即使充分延長了RSI，仍然存在剩余切換代價。由此他們認為，切換代價包括三個成分：(1)之前任務設置激活的消極耗散(passive dissipation)；(2)新任務設置的準備(preparation)；(3)剩余成分(residual component)。

對剩余成分本質的研究，進一步整合了聯合競爭理論。Koch等人在上述研究的基礎上，考察了基于線索的任務準備和基于靶刺激的啟動對任務切換的影響，結果發現，切換代價包含三個成分：(1)有目的性的、基于線索準備的任務激活；(2)之前任務的持續激活；(3)由任務刺激本身所引

起的基于刺激的任務激活。而且還進一步發現，這三種成分之間還存在著某種關系。他們發現延長CSI影響準備成分和刺激激活成分。而延長RSl只是影響持續激活成分，而不影響刺激激活成分，由此推測，基于線索的準備和基于刺激的啟動影響了刺激設置(stimulus set)，而之前設置的持續激活影響的是反應設置(response set)。

3.2加工機制的多因素模型

為進一步驗證上述切換代價包含多成分的理論。研究者對任務加工機制的多因素影響進行了探討。有研究發現。在任務切換過程不僅包括執行控制(或內源性準備)的作用，也有自動控制(外源性調節)的效應，且二者分別影響任務加工的不同階段。

Sohn等人提出了兩成分模型(two-componentmodel)，認為切換代價包括執行控制和自動控制兩方面，而且兩個成分分別影響不同的認知加工。他們在一項腦成像研究中獲得了進一步的驗證。發現內源性準備主要涉及到外側前額葉皮層(lateralprefrontal codex，BA46/45)和頂葉后回(posteriorparietal coaex，BA4D)，而外源性控制對應于前額葉上回(superior prefrontal cortex，BA8)和頂葉后回(posterior parietal conex，BA39/40)。Hsieh采用了ERP技術考察了任務序列的可預測性(固定序列與隨機序列)和刺激類型(雙向與單向刺激)對任務切換的影響。結果發現，在線索出現之后，當任務序列可預測時，與重復序列相比，切換序列出現了更大的正波(positivity)；在刺激呈現之后，當靶是雙向刺激時，切換序列引發了更大的負波(negativity)，當靶是單向刺激時，沒有出現此腦波。有關切換序列的正偏移腦波反映了在準備過程中的裝載和激活任務規則的認知加工；而負波反映了抑制來自于在雙向刺激中無關刺激特征的干擾或競爭。這說明任務設置重構與聯結競爭分別作用于線索和靶刺激呈現之后兩個不同階段。

Ruthruff等人通過操作任務序列的可預測性和任務類型對任務切換的研究，提出了構建一執行模型(configuration-execution model)。他們把影響任務切換代價的因素分成兩類：即自上而下的和自下而上的，研究發現二因素對任務切換的影響并不是交互作用，而是具有可加性(additivity)，即兩個因素分別獨立地影響了任務加工的不同階段。

從上面有關整合研究可以看出，切換代價不僅包含了反映執行控制的成分，同時也包含了自動控制或外源性調節的成分。因此，不能簡單化地把切換代價作為執行控制的指標。

4小結與展望

近十年來，人們采用了多途徑、多學科的聯合攻關的思路，對任務切換的研究取得了眾多成果。認知行為研究主要在功能層面上勾畫出任務切換的加工過程，腦成像技術尋求大腦結構上的證據，而兩因素模型整合了已有研究結果，提出了重要的理論解釋。但是仍然還存在有待進一步解決的問題。

首先，三種理論為人們深入分析了認知加工的不同階段，從某個側面揭示了任務切換的機制。并且已有研究提出了兩成分模型，試圖整合這些研究結果，但是這些模型之間還存在不一致的地方。今后的研究，要尋找一種更高的模型或理論來整合這些已有的結果，以全面揭示任務切換的機制和澄清切換代價的本質。

其次，一種有效的研究范式的形成是解決問題的關鍵。已有研究不僅發展了多種研究范式，而且結合了其他研究范式，如Stroop、go/nogo任務，使得某些問題獲得了新突破。但是，正是由于不同研究者采用了不同的研究范式。導致了已有研究結果的分歧。同時，目前多數研究采用了線索任務范式，但是對此范式是否能夠考察執行控制的功能，還存在不同的聲音。

最后，腦成像技術的使用，打開了任務切換的深層腦加工機制。但是在一些具體的問題上研究者們仍存在分歧，如：是否存在特定切換任務的腦激活區。此外，對于任務設置重構和任務設置慣性的具體加工機制，已有研究結果之間具有不一致性，行為和腦成像研究的結合有利于解決這些分歧。