基于中央执行功能的儿童工作记忆可塑性机制

赵鑫　周仁来

摘要：近期的研究发现儿童的工作记忆能力具有一定的可塑性。研究者采用双盲对照实验设计，通过改编的工作记忆广度、N-back、活动记忆和GO-NOGO等任务对15岁以下的正常儿童和特殊儿童（多动症、智力低下等）的工作记忆能力进行训练，训练的周期一般为15-30天不等，每天训练时长约15-25分钟。研究结果发现，工作记忆训练不仅可以提高儿童的工作记忆能力，而且还可以迁移至其它高级认知功能（流体智力、数学能力等），甚至可以改善多动症儿童的临床症状。研究者还发现这种训练效应可以保持3～6个月。通过工作记忆中央执行功能的训练，是否可以促进儿童认知功能的发展？儿童认知功能的可塑性表现为短暂的提高还是促进认知发展？中央执行功能的训练如何影响儿童认知加工过程的发展？这些问题的回答对于近一步探索认知活动和认知神经的可塑性具有一定的理论意义。可以为工作记忆缺陷儿童的临床干预和治疗提供有效的工具，具有实践意义。

关键词：工作记忆；中央执行功能；可塑性；儿童；发展

分类号：B845

人类的认知功能是否可以通过后天的训练得到提升？这个问题正受到认知心理学和认知神经科学研究的关注（Jaeggi，Buschkuehl，Jonides，&Perrig，2008；Jaeggi，Buschkuehl，Shah，&Jonides，2013；Klingberg，Forssberg，&Westerbe玛，2002；Melby-Lervag&Hulme，2013；McNab et al.，2009；Klingberg，2010；O1esen，Westerberg，&Klingberg，2003；shipstead，Redick，&Engle，2012；Westerberg eta1，，2007；Zhao，Wang，Liu，&Zhou，2011；Zhao，Zhou，&Fu，2013；赵鑫，周仁来，2010a；周仁来，赵鑫，2010）。研究者发现，通过认知训练，多动症儿童的认知能力得到提高。并且对缓解多动症的临床症状具有一定的效用（Klingberg et al.，2002）；通过认知训练，成年个体的流体智力得到提升（Jaeggi et al.，2008）；通过认知训练，老年个体的认知功能得到提高（Brehmer，Westerbe唱，&Backmarl，2009）；通过认知训练，中风者的认知功能得到改善（Westerberg et al.，2007）；通过认知训练，个体大脑的神经活动发生改变（McNab etal.，2009）。当前，大多数认知训练研究主要关注工作记忆的训练。近期，有多篇关于工作记忆训练的研究发表在《Science》（Dahlin，Neely，Larsson，Bfickman，&Nyberg，2008；McNab et al.，2009）、《Nature Areuroscience》（Olesen et al.，2003）和《Proceedtngs of the Nationat Academy of Sciencesof the United Stares of America》（Jaeggi et al.，2008；Jaeggi，Buschkuehl，Jonides，&Shah，2011）等国际重要期刊中。

1、工作记忆及其结构

工作记忆（Working Memory，wM）是指个体在执行认知任务过程中对信息暂时保持与操作的能力（Baddeley，1992，2003）。工作记忆被认为是人类高级认知活动的核心（赵鑫，周仁来，2010b）。研究发现，工作记忆在学习、推理等高级认知活动中起重要的作用（Engle，2010），是流体智力的核心成分（conway，Kane，&Engle，2003）。作为人类高级认知活动的基础和核心，工作记忆具有相对复杂的结构。语音回路、视，空间模板和中央执行功能是工作记忆的3种成分，其中语音回路、视空间模板负责言语信息和空间信息的存储，而中央执行功能主要负责工作记忆中的信息控制，各子系统功能的协调和操纵注意管理系统（Baddeley，1992，2003）。近年来，研究者通过对临床脑损伤病人的研究（Shallice&Burgess，1993），通过结构方程模型（Miyake，Friedman，Emerson，Witzki，&Howerter，2000）和神经成像（collette&van der，2002）等方法对工作记忆中央执行系统进行了分离性的研究。研究者认为中央执行功能包括了以下3种主要的成分和功能：转换（shifting process）、刷新（updating）和抑制（inhibition）（赵鑫，周仁来，2010a）。

2、儿童工作记忆训练研究

鉴于工作记忆在认知中的核心作用，部分研究者已经开始关注认知发展中的个体一儿童工作记忆的可塑性。儿童工作记忆训练的内容、形式以及训练的效果成为研究主要探讨的问题。

2.1 训练内容

针对儿童工作记忆的训练任务一般是由一些经典的工作记忆测试任务所改编，由于训练对象是儿童，研究者在兼顾科学性的同时，还考虑到训练任务的趣味性。工作记忆广度任务（Holmes，Gathercole，&Dunning，2009；Klingberg et al.，2005；Klingberg et al.，2002）、N-back任务（Jaeggi etal.，2011）、活动记忆任务（zhao et al.，2011）和GO-NOGO任务（Thorell，Lindqvist，Nutley，Bohlin，&Klingberg，2009）在儿童工作记忆训练中经常使用。

2.1.1 工作记忆广度任务

工作记忆广度任务是測量个体工作记忆最为常用的任务之一，该任务即包括存储成分又包括加工成分（Conway et al.，2003；Unsworth，Redick，Heitz，Broadway，&Engle，2009）。Klingberg等人的研究（Klingberg et al.，2002，2005）采用这种任务对多动症儿童的工作记忆能力进行训练。研究中的训练任务采用了视，空工作记忆广度任务（Avisuo-spatial WM task），在这项任务中，一个圆圈依次出现在一个4x4方格中的任意小方格中，等到圆圈呈现完毕，要求儿童按照顺序依次回忆出圆圈所出现过的位置。圆圈出现的个数随着儿童在训练任务上的表现而发生变化，其中，每种难度有3个试次，如果儿童在某种难度水平中通过两次及两次以上就会进入下一个难度水平（Klingberg et al.，2002）。

2.1.2 N-back任务

N-back任务同样是测量个体工作记忆的经典任务（赵鑫，周仁来，2011）。Jaeggi等人在研究中使用了这一任务对儿童的工作记忆能力进行训练（Jaeggi et al.，2011）。任务要求儿童完成空间N-back任务的训练：儿童会看到一只青蛙出现在池塘的荷叶上，任务是需要判断当前这个青蛙出现的位置是否与之前第N个青蛙所出现的位置相同，如在2-back任务下，要求儿童判断当前这个青蛙是否与之前第二个青蛙所在的荷叶位置相同。其中，每个试次的时间为3 s（青蛙出现的时间为500 ms，间隔时间为2，500 ms）。任务同样会根据被试的表现不断调整难度（N的提高），每个难度有10个试次，如果每个难度水平犯错3次或者3次以下，难度会提高一个水平，如果犯错4次或者4次以上，难度就会降低一个水平。

2.1.3 活动记忆任务

活动记忆任务是测量工作记忆刷新功能的任务（zhao et al.，2011）。Zhao等人（2011）采用了这一任务对儿童工作记忆的刷新功能进行了训练。在该训练任务中，电脑屏幕正中央会出现一个九宫格，卡通人物头像（马里奥）以1750 ms/个的速度依次出现在9个方格中的任意一个位置中，且每次出现的个数不相同。要求儿童依次记住最后出现的3个方格，即一直保持记住所出现的最近的3个方格。最后，屏幕中央会出现3个九宫格，被试按照顺序依次点击卡通人物头像出现的最后3个方格。被试完成一题后按确定键开始下一组。每个任务答对一题计1分，满分20分。回答正确，屏幕下方会出现一个卡通笑脸图标，答题错会出现一个卡通炸弹图标。

2.1.4 Go-NoGo任务

Go-NoGo任务被用来测量工作记忆的抑制功能（Thorell et al.，2009；赵鑫，周仁来，2011）。Thorell等人（2009）采用了Go-NoGo任务对儿童的抑制功能进行了训练。Thorell等人将该任务改编为水果Go-NoGo任务，在训练任务中，要求儿童在水果的出现时候按键，而在出现鱼的时候不按键。该训练任务也是依据儿童在任务中的表现调整难度水平，一般是通过调整刺激（水果和鱼1的呈现时间来实现任务难度的变化。

2.2 训练形式

2.2.1 基本研究设计

儿童工作记忆训练的基本实验设计一般都采用双盲对照实验设计。研究者通过设立对照组克服训练过程中的安慰剂效应和其它无关因素对训练效果的影响。而对照组所进行的任务也是多样的，Bergman等人（2011）研究中，设计了4组被试：安慰剂组（PL training）、工作记忆训练组（WMtraining）、非言语推理训练组（NVR training）和工作记忆与非言语推理混合训练组（cB training）；Klingberg等人（2002）的研究中对照组被试要求完成训练任务的基线任务，训练前后，实验组和控制组的所有被试均接受相同的测试；在Zhao等人（2011）的训练过程中，对照组被试每天在相同地点完成与训练任务无关的电脑游戏；而Thorell等人（2009）的训练将对照组分为两组，一组完成普通的电脑游戏，另一组仅为空白对照，即只接受单一的前后测试。

2.2.2 训练对象

在儿童工作记忆训练中研究者选取的对象大多为15岁以下的儿童。如Holmes等人f20091的研究中选取的研究对象为8-1l岁的儿童，其中，训练组平均年龄为10年1个月，对照组平均年龄为8年9个月；Zhao等人（2011）研究中所选取的被试为9～11岁的儿童，平均年龄9.76岁；Klingberg等人（2002）等人的研究中选取的对象为7-15岁的多动症儿童14名；Thorell等人（2009）等人的训练对象为4-5岁的学前儿童，平均年龄为56个月。

训练的对象既涉及正常儿童（Bergman et al.，2011；Zhao et al.，2011），如Jaeggi等人（2011）的研究对象来自密歇根东南部的初中生，研究排除了注意力缺陷和其他存在发展和学习障碍儿童，又涉及特殊儿童，如多动症儿童（Klingberg et al.，2002，2005），工作记忆能力低下儿童（Holmes etal.，2009）和智力缺陷儿童（sodergvist，Nutley，Ottersen，Grill，&Klingberg，2012），在S6derqvist等人（2012）的研究中，所选取的训练组儿童的智商均在70分以下，并有部分儿童伴有注意力缺陷障碍（ADHD）、唐氏综合征（Downs syndrome）、癫痫（epilepsy）、未指定的染色体变异（unspecifiedchromosomal deviation）、语言障碍（languagedisorder）等问题。

2.2.3 训练时间

儿童工作记忆训练的周期一般在15天至30天之间。如Thorell等人（2009）等人的训练时间为15天，每天15分钟，共训练5周；Bergman等人（2011）研究中训练的时间为25天，每天15分钟；Klingberg等人（2002）的研究中，儿童训练每天最少20分钟，一周训练4-6天，至少5周；Holmes等人（2009）的训练时间为20天，每天训练的时间为35分钟，训练5～7周；Jaeggi等人的研究训练周期为一个月，每周5次，每次15分钟。

2.2.4 训练环境

在儿童工作记忆训练中，大多数研究者选取的训练地点为学校（Holmes et al.，2009；Thorell etal.，2009；Zhao et al.，2011），如Zhao等人（2011）在訓练过程中，训练组在学校内计算机机房进行工作记忆刷新任务的训练。其中，参加前测和后测的主试不参与训练过程，所有被试前测和后测均在学校同一间教室进行，测试过程中避免学校广播、周边施工等无关因素干扰学生注意力。同样，在Thorell等人（2009）和Holmes等人（2009）的研究中儿童是在学校机房完成工作记忆任务的训练。但是，也有部分训练研究是在儿童家中完成，如在Bergman等人（2011）的研究中，儿童工作记忆的训练是在父母监督下在自己的家中完成；S6derqvist等人（2012）的研究中，有80%的儿童工作记忆训练是在家长监控下在家中进行，其余儿童是在老师的监控下在学校进行。

2.3 训练效果

2.3.1 训练任务自身提高

研究者发现，通过训练儿童的工作记忆能力，儿童在工作记忆训练任务上的成绩都会得到提升，这一结论已得到研究者的共识（Bergman et al.，2011；Holmes et al.，2009；Jaeggi et al.，2011；Klingberg et al.，2002，2005；S6derqvist et al.，2012；Thorell et al.，2009；Zhao et al.，2011）。如Klingberg等人（2002）的研究发现，通过认知训练，儿童在几种工作记忆任务上的成绩都得到显著的提高；Zhao等人（2011）的研究也发现，训练时间对活动记忆任务成绩有显著影响，随着训练天数的增加，被试在训练任务上的成绩显著提高。

2.3.2 训练的迁移效应

研究者发现，通过训练儿童的工作记忆，不仅使得训练的工作记忆任务成绩提高，这种工作记忆训练的效应还可以迁移至其它认知任务中。Jaeggi等人（2011）的研究发现，工作记忆的训练可以提高儿童的流体智力。而流体智力的提升与儿童在工作记忆能力上的提升相关；Zhao等人（2011）的研究也同样发现，通过工作记忆刷新能力的训练，儿童的流体智力得到显著提高，研究表明，通过工作记忆训练使得流体智力水平提高与工作记忆中央执行功能的改善有关；Holmes等人（2009）通过训练工作记忆能力低的儿童的工作记忆发现，工作记忆的训练可以提高这类儿童的数学能力：Klingberg等人（2002，2005）的研究还发现，工作记忆训练不仅可以提高了多动症儿童的工作记忆和流体智力，而且还改善多动症儿童的一些临床症状。

但是，并不是所有的研究都观察到了工作记忆训练效果的迁移效应。Bergman等人的研究中发现，与安慰剂组比较，单纯非言语推理任务训练对儿童流体智力的提高效果最好，非言语推理任务和工作记忆的混合训练的效果次之，而单纯工作记忆训练并未迁移到非言语推理的测试成绩中，这意味着工作记忆训练对儿童流体智力促进效果不大（Bergman et al.，2011）；Thorell等人（2009）的研究也未发现抑制能力训练组在工作记忆任务中的迁移效应。这种不一致的结果，很有可能与训练的对象（正常儿童、特殊儿童）以及训练的任务不一致有关。

2.3.3 训练效果的保持

通过认知训练使得儿童的工作记忆能力提高，甚至迁移至其他高级认知功，这是由于训练效应而发生的短暂提高还是会促进儿童的认知功能长期的发展？部分研究者通过训练后的追踪测试探讨了这一问题。Jaeggi等人（2011）的研究发现，通过训练，儿童的工作记忆能力和流体智力都得到了提升，而这种效应可以持续3个月；Holmes等人（2009）研究也发现，通过训练工作记忆能力低儿童的工作记忆，可以提高工作记忆能力，而这种效应持续至6个月。但是，Sederqvist等人（2012）的研究却发现，智力缺陷儿童的工作记忆训练效果在1年后就不存在了。研究者已证明了工作记忆训练效果的保持，但就目前的几项研究来看，这种保持效应最多持续至6个月，但是由于这种追踪研究较少，结果的可靠性还有待更多的研究去验证。

3、研究展望：基于中央执行功能的儿童工作记忆可塑性研究

如前所述，由于工作记忆能力包括了存储成分和中央执行能力，工作记忆的训练使得儿童工作记忆能力以及认知功能得到提升，是因为扩大了存储容量还是因为改善了中央执行功能并没有被很好的区分开来，所获结论对于理解工作记忆训练的实质存在着混淆。Zhao等人的一项关于工作记忆刷新训练的研究在此方面取得了进展（zhao et al.，2011），研究首次采用活动记忆任务，通过双盲对照实验设计，对9-11岁儿童的工作记忆刷新能力进行训练。研究结果表明，通过工作记忆训练使得认知功能的提高与工作记忆中央执行功能的改善有关。因此，对儿童工作记忆中央执行功能进行训练将是日后该领域的一个重点问题。为了进一步扩展此项研究结果，我们拟探讨9-11岁儿童工作记忆中央执行功能是否具有可塑性？认知训练促进认知发展是暂时的还是长久的？并结合脑电技术，探讨认知训练是如何促进儿童认知功能发展，如何改变认知加工过程？这对于探索儿童认知活动和认知神经的可塑性具有一定的理论意义。在临床领域，可以为工作记忆缺陷儿童的临床干预和治疗提供有效的工具，具有重要的实践意义。

3.1 儿童工作记忆中央执行功能训练：是否可以促进儿童认知功能的发展？

采用双盲对照设计，分别探讨不同的中央执行功能（刷新、转化、抑制）训练对9-11岁儿童认知功能发展的影响。其中，以3种标准化的中央执行功能测试、N-back任务、韦氏智力量表中工作记忆测试任务、瑞文推理测验为前，后测任务。通过由标准化中央执行功能测试任务改编的趣味任务为训练程序，考查：1）儿童中央执行功能是否可以通过训练得到提高？哪种执行功能训练效果最好？2）不同中央执行功能的训练，是否可以迁移至其它中央执行功能？哪种执行功能训练迁移效果最好？（如通过训练，儿童的抑制功能得到发展，这种获益是否可以迁移至转化功能？）31不同中央执行功能的訓练，是否可以迁移至儿童的工作记忆能力和流体智力？哪种执行功能训练迁移效果最好？

3.2 儿童工作记忆中央执行功能训练：短期的改善还是长期的促进发展？

通过认知训练使得9-11岁儿童的认知功能得到提高，是由于认知训练造成的短暂效应还是可以促进儿童认知的发展？虽然之前已有两项追踪研究（Holmes et al.，2009；Jaeggi et al.，2011）证明了儿童工作记忆训练效果的长期效应，但是，这两项研究并未关注对照组儿童的认知功能是否在6个月或者1年后得到发展，这混淆了儿童的认知发展和认知训练的效果，所以应在回答了第一个研究问题之后，考察训练结束6个月以及1年之后对照组儿童和训练组儿童的认知能力，进一步澄清和解释这个问题。

3.3 儿童工作记忆中央执行功能训练：如何影响认知加工过程的发展？

虽然研究者已经提出要关注儿童认知训练的认知神经机制，解决“为什么会提高（why）”的问题，但是还未有研究报告对儿童认知功能可塑性神经机制的探讨。之前有研究者采用脑成像研究技术，探讨了成人工作记忆可塑性的神经机制。研究结果发现，通过工作记忆的训练，与工作记忆相关的脑区，如额中回和额下回（middle and inferiorfrontal gyrus）的激活显著增强（Olesen et al.，2003）。McNab等人（2009）的研究还表明，工作记忆能力的可塑性与大脑皮层多巴胺D1受体密度的改变有关。虽然之前的研究证明了工作记忆的训练可以改变相关脑区的激活。但是，大脑的功能与结构并不是一种简单的对应关系，工作记忆所涉及的脑区复杂，工作记忆任务的完成需要不同脑区所组成的神经网络活动共同完成（collette&Vander Linden，2002）。对于工作记忆训练的神经机制，很难依靠空间激活模式的不同加以区分，更重要的是，工作记忆的可塑性究竟是发生在哪个阶段？是在感知觉阶段、注意阶段、还是只体现在工作记忆的表征阶段？借助功能性磁共振成像技术（fMRI）和正电子发射断层扫描脑成像技术（PET）等脑成像技术很难解释这个问题。而事件相关电位（ERPs）技術具有较高的时间分辨率，可以根据时间激活模式的不同辨别各个阶段所发生的变化。Zhao等人近期完成的一研究（zhao et al.，2013）以健康成年人为被试，采用自适应活动记忆训练任务，通过双盲对照实验设计，结合ERPs技术，探讨了工作记忆刷新功能训练对大脑活动的影响。研究结果显示，通过20天的工作记忆刷新任务训练，与对照组相比，训练组在工作记忆2-back任务上的反应时显著降低。研究结果还发现，与对照组相比，在完成工作记忆2-back任务时，训练组被试顶部的N160波峰显著升高，额区的P200波峰显著降低，并且顶部的P300波幅显著的升高。结果表明，工作记忆训练对大脑活动的影响，很有可能在感知觉阶段就发生了。具体表现为，通过工作记忆训练，个体首先在视觉信息鉴别阶段，对刺激的识别能力增强，接着对无关信息的抑制能力和对当前目标刺激集中注意能力增强，进而工作记忆中表征的更新能力得到提升。因此，在今后的研究中可结合ERPs技术，探讨9-11岁儿童工作记忆中央执行功能可塑性的神经机制，回答：1）中央执行功能训练如何影响认知加工过程的发展；2）不同中央执行功能（抑制、刷新和转化）训练对儿童认知加工进程影响是否存在特异性？这些问题的解决将对回答儿童认知工功能“为什么会提高（why）”具有一定的帮助作用。