人类工作记忆的某些神经影像研究

出现的字母是否与此前刚呈现过的前面第二个字母匹配（Awh等称之为2-back任务）。显然，被试为了完成这一任务必须时刻在记忆中贮存并复述新出现的两个字母，以便与即将出现的一个新的字母匹配，且要不断更新字母信息。这一任务比前面介绍过的项目再认任务模式（图1）更强调工作记忆的贮存和复述功能的作用，当然还需要如知觉编码和反应等一般性的操作过程。被试进行该任务时同时接受PET扫描。
　　为了分离贮存和复述过程，并排除知觉编码和反应等活动，Awh等还设计了两个控制任务，分别称为搜寻任务与复述任务（图2），两任务中字母呈现方式均与记忆任务相同。在搜寻任务条件下，要求被试判断不断出现的一个新字母是否与该字母序列的第一个字母相同；在复述任务条件下，被试必须不断地默述每一个新出现的字母并作出按键反应，直到下一个字母出现。
　　理论上看，搜寻任务需要的工作记忆资源很少，但包括与记忆任务同样的一般性操作过程，当从记忆任务条件下所获得的脑激活信号排除该任务条件下所获得的脑激活信号后，得到的将是工作记忆贮存与复述功能的脑激活信号。分析结果发现左半球顶后区(BA  40)和脑前额区（包括Broca区、前运动区以及辅助运动区）的激活，支持前面有关词语工作记忆的研究结果。
　　附图
　　　　图2　词语记忆任务、搜寻任务以及复述任务的设计模式图
　　复述任务除了需要被试完成一般性的操作过程之外，还需要被试不断复述每个字母。理论上看，当从记忆任务条件下所获得的脑激活信号排除复述任务条件下所获得的脑激活信号后，参与复述功能的脑区将被排除，得到的是工作记忆贮存功能的脑激活信号。分析发现，左半球顶后区明显激活，Broca区和前运动区没有明显激活，但辅助运动区仍存在激活，这可能是因为复述任务中的复述强度(demanding)没有达到记忆条件下的复述强度。在复述控制条件下，被试每次复述一个字母，而在记忆条件下，被试每次要复述两个字母。如果两者复述强度相同，将有可能排除辅助运动区的参与。
　　Smith和Jonides[9]随后报告了对上述数据的进一步分析结果。根据上述任务设计特点，可推测搜寻任务包括少量的贮存以及可能存在的复述加工（只需要记住一个字母），而复述任务包括复述以及极少量的贮存加工。因此，从复述任务条件下所获得的脑激活信号排除搜寻任务条件下所获得的脑激活信号后，得到的将是工作记忆复述功能的脑激活信号，分析结果发现左半球Broca区和辅助运动区明显激活。相反，从搜寻任务条件下所获得的脑激活信号排除复述任务条件下所获得的脑激活信号后，得到的将是工作记忆贮存功能的脑激活信号，分析结果发现左半球顶后区明显激活。
　　以上研究所采用的减法实验设计存在一个前提假设，即增加一加工环节不影响该任务其它操作过程。例如，图2中2-back记忆任务与搜寻任务的差别表现在前者含有工作记忆而后者没有，使用减法设计即是假设增加的工作记忆对知觉编码和反应没有影响，也就是说，两种任务的知觉编码和反应过程是完全相同的，事实上，增加记忆负荷(load)将对知觉编码等过程产生更高的要求，这样采用减法后可能仍会看到负责知觉编码等其它功能的脑区激活。基于此，Jonides等[10]采用另一种研究方法——“参量设计”(parametric  design)，其逻辑假设是，如果一因素影响加工过程，那么可通过系统地改变这一因素的水平来观察该因素的作用。
　　为了系统分析参量的变化，Jonides等[10]设计了一种称之为n-back任务的实验范式，通过逐步改变记忆负荷研究不同脑区激活的变化。该实验包括4种难度水平的任务，分别称为0-back、1-back、2-back以及3-back任务，如图3所示。最难的3-back任务要求被试决定每一个出现的字母是否与此前刚呈现过的前面第三个字母匹配，2-back任务与1-back任务相对容易，其含义可类推，0-back任务则要求被试判断不断出现的一个新字母是否与该字母序列的第一个字母相同，与图2中的搜寻任务相同。除了这四个记忆任务，还设计了一个基线(baseline)任务，即当每个字母出现时要求被试按一个固定的反应键。设计该基线任务的目的并不是如图1和图2所示的实验设计那样为了分离不同的加工环节，而是为了排除被试生理反应指标方面的个体差异性。这样，当上述四个任务条件下所获得的脑激活信号分别排除基线任务下的脑激活信号后，得到的是排除了个体差异性的脑激活信号。
　　PET研究发现，随着记忆负荷的增加，更多的脑区存在明显的激活，2-back和3-back任务较0-back和1-back任务激活了更多的脑区。但是，是否所有激活的脑区就是工作记忆的特异性脑区？分析存在明显激活的各脑区随着记忆负荷增加其激活强度的变化特点，发现一部分脑区激活强度随记忆负荷增加而增强（如左脑BA  6、BA  40、BA  44、BA  46等区，右脑BA  7、BA  9、BA  46等区），表现出明显的记忆负荷效应，例如，随着记忆负荷增加，背外侧前额皮层(BA  9,46)的激活强度逐渐增加，到2-back任务时，背外侧前额皮层激活超出阈值达到显著性水平，表明2-back以上任务的信息加工需要背外侧前额皮层对记忆信息加以控制协调。这部分脑区正是工作记忆的特异性脑区。另一部分脑区激活强度的变化并没有增强（如左右脑的初级感觉区），即并没有表现出明显的记忆负荷效应，这部分脑区激活正反映了随着记忆负荷的增加，知觉编码和反应等一般性心理过程活动有所增强。
　　总体上，记忆负荷的增加导致与记忆有关的脑区激活强度增加，而不是有更多脑区的参与。对于这一点，Jansma等人[11]此后给出了更明确的说明。Jansma等采用n-back实验范式更明确分离出对工作记忆负荷敏感的脑区和不敏感的脑区，其中前者包括背外侧前额皮层、前扣带回、顶叶后

部，后者包括初级感觉运动皮层等，与Jonides等[10]的研究大体是一致的。
　　Jonides等[10]的这一研究显示出参量设计相对于减法设计的部分优越性，但还不能说明参与工作记忆各脑区的持续活动状况。可以想象，在前面的n-back任务中，如果某一脑区在刺激呈现时激活但在刺激后的延迟阶段不激活，那么该脑区至少与记忆贮存功能无关。因此若能分析脑区参与记忆加工的时间序列过程，则可拿出更有说服力的证据来阐明记忆加工的脑机制。现有无创性神经影像技术中，fMRI可满足这一研究要求，其时间分辨率（约2.0～3.0秒）明显高于PET（约60秒）。
　　附图
　　　　图3　四种不同难度（负荷）的工作记忆任务设计模式图
　　注：从0-back到3-back，工作记忆负荷逐渐增加。控制任务（未在图中显示）要求被试每当字母出现时按一个固定的反应键。
　　Cohen等[12]采用fMRI研究了参与词语工作记忆有关脑区的时间序列加工过程，所用的实验任务与Jonides等[10]相同（图3），但刺激呈现间隔增加到10秒，被试操作任务时fMRI每2.5秒扫描一次，这样在刺激间隔取样4次，可得到所激活脑区的时间序列过程。从信息加工角度来分析，n-back任务的完成至少需要下列几个加工过程：(1)刺激编码；(2)刺激项目的匹配；(3)给出反应；(4)刺激项目的更新以及相应的时间序列编码(temporal  code)；(5)项目贮存以及相应的时间序列编码；(6)项目复述。可以推测，参与刺激编码和给出反应的脑区（视觉与运动区）不存在记忆负荷效应，也不存在持续的激活（即当刺激呈现时激活，在刺激间隔激活很快消失），但是参与贮存（顶后区）、复述（Broca区）以及时间序列编码（背外侧前额皮层）的脑区不仅会显示记忆负荷效应，而且在刺激间隔也会出现持续的激活。Cohen等分析了四种不同记忆负荷（0-back、1-back、2-back及3-back）条件下，初级视觉皮层、顶后区、Broca区以及背外侧前额皮层四个脑区在刺激间隔期间激活信号强度的变化，得出的结果证实了上述推测，且发现

《人类工作记忆的某些神经影像研究(第2页)》