工作記憶訓練的研究述評

黎翠紅　何旭　　郭春彥

摘要 以往研究表明，工作記憶是一個資源有限的系統，但近年來大量研究發現工作記憶成績可以通過訓練提高。工作記憶訓練是指針對低容量的個體進行針對存儲系統或者中央執行系統各成分的訓練，以提升個體工作記憶績效及影響任務相關腦區的活動。來自認知神經科學的證據在評估工作記憶訓練的效果上起到了重要作用。雖然目前該領域的研究已經取得一定的成績，但是利用工作記憶訓練來改善個體的工作記憶在具體的方法、訓練成效等問題上還存在一定的爭議。

關鍵詞 工作記憶，訓練，認知水平。

分類號 B842.3

1 引言

工作記憶（working memory，WM）是指對信息進行暫時性存儲和操縱的容量有限的系統（Baddeley，1992，2003）。它是Baddeley于1974年提出的概念，此后30多年以來的研究表明，工作記憶在認知活動中起著不可替代的作用，比如表象，言語，思維，推理等（郭春彥，2007）。除此之外，工作記憶能力上的差異更有可能是個體在各種認知任務中產生差異的關鍵性原因。其中，工作記憶容量決定了個體能夠同時處理信息的數量，直接影響信息加工的效率，因此被認為是造成個體認知水平差異不可忽視的一個方面。

早期的研究認為工作記憶存儲限度是相對穩定的。Miller在1956年通過絕對判斷、速知和即時回憶廣度三項任務總結提出短時記憶容量是7±2個組塊。然而，在之后的研究中Cawon（2001）又發現，短時記憶的平均容量應該是4±2個組塊。他認為，在以往的研究中雖然用“組塊”來定義容量大小的單位，但是關于“組塊”的界定其實并不清晰。認為在這種條件下，無法評估其他非容量限制機制的作用，因此無法獲得純凈的容量大小。之后又列舉了四種獲得純凈容量的方法，并給出了大量工作記憶容量是4的實驗證據。而以后得出相同結論的研究中其方法也不超出本文中所提到的方法。例如，Luck和Vogel（1997）利用對彩色方塊的變化覺察任務證明了視覺工作記憶容量大小為3至4個客體，并認為視覺工作記憶容量中可獲資源有限，這種資源的有限性決定了視覺工作記憶容量的大小。

雖然傳統的觀點認為工作記憶容量是有限的，但是近年來的一些研究，尤其是對非正常被試的研究卻表明工作記憶還是具有可塑性的，通過工作記憶訓練可以有效提高個體的工作記憶能力（Owens，Koster，& Derakshan，2013；Holmes，Gathercole，&Dunning，2009；Van der Molen，van Luit，van derMolen，Klugkist，& Jongmans，2010）。在2013年的一項研究中，研究者對20名65到75歲的aMCI（amnestic mild cognitive impairment）患者進行了為期2周的言語工作記憶訓練，結果表明接受訓練的患者在訓練任務中的成績明顯提高，并且在其他的工作記憶任務如視空工作記憶、流體智力任務（卡特爾測驗）和長時記憶任務上得到了遷移。相比于控制組，實驗組在這些未訓練項目上的成績取得了更大的增幅（Carretti，Borella，Zavagnin，& Beni，2013）。

本文首先對工作記憶訓練的類型加以簡單介紹，以了解當前實驗研究中所使用的方法。接下來從工作記憶各個子系統，即存儲系統和中央執行系統，分別給出來自行為上和神經機制上的證據以驗證工作記憶訓練可以影響工作記憶。

2 工作記憶訓練的分類

2.1 按訓練內容分類

作為人類高級認知活動的核心，Baddeley（1974，2001）認為工作記憶系統包含語音回路、視空模板和中央執行系統，以及2000年補充的情景緩沖器。其中語音回路和視空模板分別負責語音和視覺信息的暫時性存儲，中央執行系統起到控制的作用，情景緩沖器則是對不同維度的信息進行了整合，為語音回路、視空模板和長時記憶之間提供了信息整合的平臺。目前工作記憶的訓練主要是針對前三個系統。

針對不同的訓練內容，工作記憶訓練可以分為工作記憶存儲系統的訓練和中央執行系統的訓練。通過訓練語音回路和視空模板的存儲能力是提高個體的工作記憶存儲容量最直接的方法，也就是進行工作記憶廣度的訓練（Von Bastian，Langer，Jancke，& Oberauer，2012；Klingberg，et al.，2005）。在工作記憶這三個成分中，中央執行系統被認為是工作記憶系統的核心。中央執行系統的功能是相對獨立的，抑制、刷新和轉換能力在復雜任務中分別起著不同的作用（趙鑫，周仁來，2011），對中央執行系統進行的訓練研究也是從這三個方面開展（Li，et al.，2008；Dahlin，Nyberg，Backman，& Neely，2008；趙鑫，王一雪，劉丹瑋，周仁來，2011）。

2.2 按訓練任務類型分類

在工作記憶訓練的研究中，訓練方法是工作記憶成績能否提高的核心影響因素。一般而言按照訓練任務類型可以將工作記憶訓練分為外顯任務訓練和內隱任務訓練。

對工作記憶任務策略的訓練被稱之為外顯的訓練，如復述、組塊和元認知策略，主試并不干涉被試在記憶訓練過程中采取記憶策略。這類訓練方法出現在記憶訓練研究的早期（Abikoff & Gittelman，1985）。早在1980年的一項研究中，Ericsson和同事們發現，他們的被試s.F.的數字廣度通過20個月的訓練從7提高到約80個數字。根據s.F.的事后報告，他在數字記憶過程中會采取一些類似將數字分組或者聯想的記憶策略，比如“1944”就會被S.F.編碼為“臨近第二次世界大戰的末期”。這些策略我們統稱之為“組塊”。Loomes，Rasmussen，Pei，Manji和Andrew（2008）對特殊兒童的工作記憶的訓練也采用了策略的訓練，主要是使用復述的策略。

內隱訓練并不告知訓練對象相關的記憶方法，而是通過對任務進行簡單的重復、逐漸調整任務的難度以及將每次訓練結果反饋給訓練者從而得到記憶成績的提高（Klingberg，2010）。Klingberg，Forss-berg和Westerberg（2002）所進行的一系列對ADHD兒童的研究中所采取的就是內隱訓練任務。訓練內容是不斷重復的多種工作記憶任務，在每次訓練結束后會給訓練者反饋和一定的獎賞，并且訓練任務的難度會隨著每個訓練者不同的訓練效果而有所調整。

與外顯訓練不同，內隱訓練并不是直接教給被試記憶策略，因而結果更能反映出被試在訓練過程中習得的能力。除此之外，內隱的訓練過程一般都是程序化的，訓練時間更加靈活，進而訓練過程可以實現標準化、統一化，也使得訓練程序具有更高的推廣價值（Klingberg，2010）。現在的大多數研究都是使用內隱的訓練方法，因此本文中大部分工作記憶訓練所指的都是內隱訓練。

然而，無論是內隱的訓練方法還是外顯的訓練方法，工作記憶訓練主要針對的還是其各個成分的訓練，接下來本文將從工作記憶的存儲系統和中央執行系統分別來介紹工作記憶能力如何受工作記憶訓練的影響。

3 工作記憶存儲系統的訓練

3.1 行為上的證據

按照訓練的工作記憶存儲系統的不同，工作記憶廣度任務分為言語廣度任務和視空廣度任務分別訓練語音回路和視空模板。言語廣度任務一般是依次呈現由工作記憶任務（如算術題、邏輯判斷）和詞語組成的刺激，在單個刺激呈現的同時要求被試進行工作記憶任務的判斷，并且在一組刺激呈現結束后進行詞語的順序回憶。也有以一組刺激結束后對刺激進行簡單操作來計算被試的言語工作記憶廣度的，如倒背數任務。而視空廣度任務則是要求被試記憶刺激出現在電腦屏幕不同位置的順序。在訓練工作記憶廣度的研究中，有的是單純進行廣度任務，有的是將廣度任務和其他任務相結合進行多重工作記憶任務的訓練。

Olesen，Westerberg和Klingberg（2003）以健康被試為研究對象采取的是單純針對工作記憶廣度的訓練任務，使用了視空工作記憶任務、數字倒背任務和字母廣度任務，他們發現所有的訓練項目在訓練期間成績都逐漸提高，并且這種成績的提高還遷移到數字廣度任務和Stroop任務上。Chein和Morrison（2010）將兩個存儲系統同時作為訓練對象，進行了視空工作記憶和言語工作記憶的訓練。結果表明，不僅在短時記憶上成績進步明顯，同樣，這種認知能力的提高也遷移到了未經訓練的Stroop，閱讀理解等任務上。相比于單純廣度的訓練，結合其他認知能力的訓練任務的任務更為豐富，訓練的角度更為全面，因此訓練的效果也較好。例如，Klingberg等人（2002）的研究中使用的是視空工作記憶，言語廣度、字母廣度和選擇反應時任務的結合。這些研究結果都從行為指標上證明工作記憶的存儲能力在訓練中是不斷增強的。

3.2 神經機制上的證據

近年來，認知神經科學的不斷興起為探索人類認知的發展規律提供了有效的工具，借助腦電和腦成像技術，研究者通過觀察工作記憶存儲狀態的生理指標可以更為直接的評價在工作記憶訓練中工作記憶能力的變化。

Horowitz-Kraus和Breznitz（2009）對閱讀困難人群進行的研究中觀察了ERN（error-related negativi-ty）在訓練前后振幅的差異。研究者根據前人研究結果，即當發生閱讀困難時，閱讀障礙者所誘發的ERN要小于正常被試，假設ERN激活較弱可能阻止了閱讀障礙者意識到自身發生了錯誤而造成了更多的閱讀錯誤，試圖經過認知訓練來提高被試的閱讀能力。訓練任務主要包含聽覺記憶任務、視覺記憶任務和跨通道的記憶任務，每個被試的訓練難度依據自身特點制定，每次訓練結束后給予反饋。通過對閱讀障礙組和控制組的訓練，在行為結果上閱讀障礙組成績的增幅要大于控制組，與此同時腦電結果上閱讀障礙人群的ERN振幅也得到了明顯的提高。

大量的fMRI研究結果表明，工作記憶容量和任務相關區域的激活之間是相關的，工作記憶的保持階段這些腦區會呈現持續的激活（Xu & Chun，2005）。Todd和Marois（2004）的研究也說明存儲的工作記憶項目的數量是可以通過相關腦區的相對激活程度觀測到的。多項研究都表明BOLD中更高的激活水平通常都是與更高的容量相聯系的，同時也再次借助生理學的指標證明我們通過訓練的方式可以改變個體的工作記憶水平。Hempel等（2004）通過分析被試進行視空工作記憶任務時的fMRI掃描數據發現任務激活了右半球內側頂葉溝和右半球額下回。經過為期2周的訓練，該區域的激活程度明顯增強，而在4周之后這些區域的激活卻減弱了。在上文中曾經提及的Olesen等人（2003）的研究中，他們也發現了訓練后與工作記憶相關的前額葉和頂葉皮層的激活增強。同樣是訓練工作記憶，Wexler，Anderson，Fulbright和Gore（2000）的研究中，對8個被試進行了為期10周共計10個小時的訓練，左側額下回的激活在這個過程中逐漸增強。可以發現，雖然不同的針對容量的訓練研究中都顯示出大腦的活動會受記憶訓練的影響，但是影響的區域卻不是完全一致的。

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中央執行系統的訓練

4.1 行為上的證據

Baddeley（1974）指出，在復雜認知活動中工作記憶的存儲成分所起的作用是有限的，相比而言中央執行系統由于其具有通用加工器性質因而作用更為重要。同時，大量研究也表明對中央執行系統功能的訓練才是工作記憶訓練的核心和實質。

中央執行系統的抑制能力是指在認知操作中大腦將注意分配到相關信息和加工過程上，并且保持對不相關信息的抑制（郭春彥，2007）。Johnstone，Roodenrys，Phillips，Watt和Mantz（2010）對工作記憶和抑制能力訓練能否改善ADHD兒童患者的病情進行了考察，結果表明，相比于訓練低強度組，高強度組的注意力不集中以及多動等癥狀有所改善。刷新是用新出現的刺激內容替換工作記憶中保持的舊的，實現信息的更替以匹配目前任務要求的過程。對刷新能力的訓練一般采取的是N-back任務（Dah-lin，et al.，2008；Li，et al.，2008）。而趙鑫等（2011）對9到11歲兒童的刷新能力訓練采用的是活動記憶范式，任務要求兒童看一系列長度未知的刺激，然后按指定的數量回憶刺激。研究者發現實驗組兒童不僅在工作記憶任務上成績有所提高，他們的流體智力也得到的明顯的改善。除了抑制和刷新，在進行認知加工時還會常常出現多種操作競爭認知資源的過程，此時就要進行信息的轉換，也就是認知資源在兩種加工上相互切換。對轉換功能進行考察的任務一般有加法減法轉換任務，數字字母轉換任務，數字轉換任務和局部全局轉換任務。雖然近年來對轉換功能的重視程度不斷增加，但是還鮮有研究將轉換功能單獨作為工作記憶訓練的重點。

4.2 神經機制上的證據

關于工作記憶容量的行為研究中大部分結果包含了編碼、延遲、比較和決策各個階段的綜合作用，難以憑借最終行為結果上的差異來判斷發生在哪個或哪幾個階段。近年來，來自ERP研究的工作記憶容量指標CDA（contralateral delay activity）的出現為觀測到保持階段的存儲容量提供了最為直接的證據（何旭，郭春彥，2013）。CDA是指當被試進行單側視野的變化覺察任務時，對目標刺激的保持階段在對側腦區要獲取比同側腦區更負向的腦電波，即對側延遲活動。Vogel和Machizawa（2004）發現，CDA的振幅反映了工作記憶編碼和保持階段的項目數量，保存的項目數越多，CDA的振幅也就越大，這一研究結果證明了CDA幅值敏感于工作記憶容量。

Owens等人（2013）使用變化覺察范式證明了焦慮癥患者工作記憶容量下降的原因，即對無關信息的過濾能力受損，并通過CDA振幅的增加證明焦慮癥患者的工作記憶能力以及無關信息過濾有效性是可以通過工作記憶訓練提高的。研究主要采取自適應雙重n-back任務對焦慮癥患者的工作記憶刷新能力進行訓練，訓練周期為11至14天。在前測中，訓練組和控制組的四個項目的CDA的振幅是沒有差異，在訓練結束后，訓練組的振幅有所增強并且大于控制組，表明對研究中工作記憶中央執行系統刷新能力的訓練是有效的。

同樣是研究工作記憶刷新能力的訓練對其他認知能力的遷移作用，Dalin等人（2008）使用fMRI對大腦相關區域的激活進行了考察。他們發現在每個被試的訓練總數長達11個小時之后，被試的紋狀體的激活程度明顯增加，但是相比之下前額葉和頂葉皮層的活動卻相對減少。這些研究結果都表明，工作記憶任務相關的腦區是具有可塑性的。

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小結

關于工作記憶訓練研究已經取得了一定的成績，很多研究者都通過實驗證明了工作記憶水平是可以改變的，并且借助ERP和fMRI技術從認知神經層面更加清楚的了解到工作記憶訓練過程中相關腦區的活動情況。但也必須認識到，工作記憶訓練的研究剛起步不久，無論是從研究內容還是研究方法上都沒有統一，不同的研究者使用不同的研究方法進行訓練和評估，因此得到的結果還是有所爭議的，工作記憶訓練的一些問題還需要進行更加深入的探討。

（1）工作記憶能力改善的效果持續多久？

在工作記憶訓練的研究中，改善工作記憶水平是研究的最終目的，工作記憶提高是否有效是評估訓練的重要指標之一。然而，很多相關研究最終的考察是在訓練結束后立即進行的，很難對訓練在日常生活中起到的影響進行可測量評估。除此之外，訓練效果的持久性也受到質疑。

Dahlin等人（2008）的研究中考察了老年和年輕被試在訓練中的工作記憶能力的提升和遷移到其他認知能力上的收益在訓練后第18個月是否還能保持。他們發現，無論是老年被試還是年輕被試，工作記憶的訓練都收益能夠很好的保持，但是遷移效應在這個過程中就逐漸消退。Horowitz-Kraus和Breznitz（2009）延遲考察時間為6個月，同樣是接受工作記憶訓練，閱讀障礙組在訓練立即結束后收益較大，而控制組則是在更長的時間后收益要更為明顯。

（2）工作記憶訓練的方法是否確實有效？

即使是使用同樣的工作記憶訓練范式，大量的研究得到的工作記憶改變的效果卻是有所差異的，也有研究中的訓練并沒有使工作記憶成績有所提升。例如，1985年Abikoff等人為了考察認知訓練對多動癥兒童的有效性進行了記憶訓練。研究者們對多動癥兒童進行了為期十六周的訓練，主要是強調問題解決的策略和社會性問題解決的技巧。然而，結果表明認知訓練并沒有提升多動癥兒童的行為水平，訓練是無效的。

目前，工作記憶訓練的研究還處于探索時期，因此，對于訓練到底該怎樣訓，該采取何種方法，訓練多長時間、訓練多久最合適，都還沒有一個統一的定論。因此，很難說在結果上造成的差異是否有來自程序和方法上不同的影響。比如有的研究者使用的是工作記憶任務（von Bastian，et al.，2012；Olesen，et al.，2003），有的使用的是對中央執行系統的訓練（趙鑫等，2011；Johnstone，et al.，2010），還有的是采用多重訓練任務結合的方法，訓練工作記憶的各個層面（Olesen，et al.，2003）。另外，測量的指標不同，也使得最終進行比較的工具有所差異，沒有統一性，比較起來也缺乏科學性。在今后的研究中，隨著研究的成熟，訓練內容和程序都應更有代表性，評價標準也應日趨統一。

（3）工作記憶訓練到底訓練的是哪個成分？

本文中介紹工作記憶訓練是分別針對工作記憶存儲系統和中央執行系統的訓練，但是還有一部分訓練的任務是多重的，既包含存儲系統，也包含中央執行系統。多重的工作記憶訓練任務是多個不同訓練任務的混合，從工作記憶的多個方面對認知能力進行訓練，而不是局限于單種訓練任務。

Westerberg和Klingberg（2007）通過為期5周的訓練再次驗證了相關大腦活動的可塑性，被試接受了包含視空廣度任務、Stroop任務在內的工作記憶任務，結果表明在額中回和額下回上產生的神經活動的增強效應。他們的另一項研究中的訓練任務則是倒背數字、位置記憶、追蹤視覺目標等工作記憶任務和其他幾種任務的結合。多重工作記憶訓練由于其任務的多樣性，保證了最終的訓練效果，但是也有其不可避免的缺陷，比如不能判斷出到底是訓練的哪個成分造成成績提高，訓練內容很難與變化了的神經活動有個一一對應的明確的關系。

（4）訓練能否使記憶限度突破容量4

工作記憶訓練可以改善記憶容量的同時，也有大量的證據表明容量限制的存在。Vogel和Machizawa（2004）利用CDA這一神經生理指標證明，當記憶的項目數量達到4個時，振幅達到最高值并且不再增加。Todd和Marois的fMRI研究中也驗證了這一觀點，他們發現當項目數量達到3或4后后部頂葉的激活不再增加。同樣，這一觀點在大量的行為研究中也得到了支持（Luck & Vogel，1997；Vogel，Woodman & Luck，2001）。

在工作記憶訓練的研究中，大多數證據都是來自對特殊人群的研究（Owens，et al.，2013；Holmes，et al.，2009；van der Molen，et al.，2010）。這些來自焦慮癥、多動癥患者或者智力障礙人群的實驗證據表明，工作記憶訓練對改善個體的工作記憶水平作用明顯。但是，這些人群記憶容量和能力相比于正常人群來說都存在一定的缺陷，他們的工作記憶本身就是受限的，研究只能說明他們的記憶在訓練之后的容量或者能力是相比于訓練之前有所改善。目前的研究還很難說明，是否可以通過訓練這一方式使人們的工作記憶突破傳統的容量限制4。個體的工作記憶水平是否可以達到更高的水平這一問題還需要更多的證據加以支持。

目前，工作記憶訓練研究還處于探討時期，為了更好的解決上述提及的爭議，還需要在進行研究時選取更加豐富的研究對象，對研究方法、訓練程序等進行標準化，并在已有研究的基礎上結合多種技術手段評估訓練效果。相信在未來的研究中工作記憶訓練不僅可以在實驗室研究中影響記憶水平，也能將訓練效果遷移到現實生活中，使工作記憶訓練應用到更廣闊的領域。