工作记忆训练的研究述评

黎翠红　何旭　　郭春彦

摘要 以往研究表明，工作记忆是一个资源有限的系统，但近年来大量研究发现工作记忆成绩可以通过训练提高。工作记忆训练是指针对低容量的个体进行针对存储系统或者中央执行系统各成分的训练，以提升个体工作记忆绩效及影响任务相关脑区的活动。来自认知神经科学的证据在评估工作记忆训练的效果上起到了重要作用。虽然目前该领域的研究已经取得一定的成绩，但是利用工作记忆训练来改善个体的工作记忆在具体的方法、训练成效等问题上还存在一定的争议。

关键词 工作记忆，训练，认知水平。

分类号 B842.3

1 引言

工作记忆（working memory，WM）是指对信息进行暂时性存储和操纵的容量有限的系统（Baddeley，1992，2003）。它是Baddeley于1974年提出的概念，此后30多年以来的研究表明，工作记忆在认知活动中起着不可替代的作用，比如表象，言语，思维，推理等（郭春彦，2007）。除此之外，工作记忆能力上的差异更有可能是个体在各种认知任务中产生差异的关键性原因。其中，工作记忆容量决定了个体能够同时处理信息的数量，直接影响信息加工的效率，因此被认为是造成个体认知水平差异不可忽视的一个方面。

早期的研究认为工作记忆存储限度是相对稳定的。Miller在1956年通过绝对判断、速知和即时回忆广度三项任务总结提出短时记忆容量是7±2个组块。然而，在之后的研究中Cawon（2001）又发现，短时记忆的平均容量应该是4±2个组块。他认为，在以往的研究中虽然用“组块”来定义容量大小的单位，但是关于“组块”的界定其实并不清晰。认为在这种条件下，无法评估其他非容量限制机制的作用，因此无法获得纯净的容量大小。之后又列举了四种获得纯净容量的方法，并给出了大量工作记忆容量是4的实验证据。而以后得出相同结论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）利用对彩色方块的变化觉察任务证明了视觉工作记忆容量大小为3至4个客体，并认为视觉工作记忆容量中可获资源有限，这种资源的有限性决定了视觉工作记忆容量的大小。

虽然传统的观点认为工作记忆容量是有限的，但是近年来的一些研究，尤其是对非正常被试的研究却表明工作记忆还是具有可塑性的，通过工作记忆训练可以有效提高个体的工作记忆能力（Owens，Koster，& Derakshan，2013；Holmes，Gathercole，&Dunning，2009；Van der Molen，van Luit，van derMolen，Klugkist，& Jongmans，2010）。在2013年的一项研究中，研究者对20名65到75岁的aMCI（amnestic mild cognitive impairment）患者进行了为期2周的言语工作记忆训练，结果表明接受训练的患者在训练任务中的成绩明显提高，并且在其他的工作记忆任务如视空工作记忆、流体智力任务（卡特尔测验）和长时记忆任务上得到了迁移。相比于控制组，实验组在这些未训练项目上的成绩取得了更大的增幅（Carretti，Borella，Zavagnin，& Beni，2013）。

本文首先对工作记忆训练的类型加以简单介绍，以了解当前实验研究中所使用的方法。接下来从工作记忆各个子系统，即存储系统和中央执行系统，分别给出来自行为上和神经机制上的证据以验证工作记忆训练可以影响工作记忆。

2 工作记忆训练的分类

2.1 按训练内容分类

作为人类高级认知活动的核心，Baddeley（1974，2001）认为工作记忆系统包含语音回路、视空模板和中央执行系统，以及2000年补充的情景缓冲器。其中语音回路和视空模板分别负责语音和视觉信息的暂时性存储，中央执行系统起到控制的作用，情景缓冲器则是对不同维度的信息进行了整合，为语音回路、视空模板和长时记忆之间提供了信息整合的平台。目前工作记忆的训练主要是针对前三个系统。

针对不同的训练内容，工作记忆训练可以分为工作记忆存储系统的训练和中央执行系统的训练。通过训练语音回路和视空模板的存储能力是提高个体的工作记忆存储容量最直接的方法，也就是进行工作记忆广度的训练（Von Bastian，Langer，Jancke，& Oberauer，2012；Klingberg，et al.，2005）。在工作记忆这三个成分中，中央执行系统被认为是工作记忆系统的核心。中央执行系统的功能是相对独立的，抑制、刷新和转换能力在复杂任务中分别起着不同的作用（赵鑫，周仁来，2011），对中央执行系统进行的训练研究也是从这三个方面开展（Li，et al.，2008；Dahlin，Nyberg，Backman，& Neely，2008；赵鑫，王一雪，刘丹玮，周仁来，2011）。

2.2 按训练任务类型分类

在工作记忆训练的研究中，训练方法是工作记忆成绩能否提高的核心影响因素。一般而言按照训练任务类型可以将工作记忆训练分为外显任务训练和内隐任务训练。

对工作记忆任务策略的训练被称之为外显的训练，如复述、组块和元认知策略，主试并不干涉被试在记忆训练过程中采取记忆策略。这类训练方法出现在记忆训练研究的早期（Abikoff & Gittelman，1985）。早在1980年的一项研究中，Ericsson和同事们发现，他们的被试s.F.的数字广度通过20个月的训练从7提高到约80个数字。根据s.F.的事后报告，他在数字记忆过程中会采取一些类似将数字分组或者联想的记忆策略，比如“1944”就会被S.F.编码为“临近第二次世界大战的末期”。这些策略我们统称之为“组块”。Loomes，Rasmussen，Pei，Manji和Andrew（2008）对特殊儿童的工作记忆的训练也采用了策略的训练，主要是使用复述的策略。

内隐训练并不告知训练对象相关的记忆方法，而是通过对任务进行简单的重复、逐渐调整任务的难度以及将每次训练结果反馈给训练者从而得到记忆成绩的提高（Klingberg，2010）。Klingberg，Forss-berg和Westerberg（2002）所进行的一系列对ADHD儿童的研究中所采取的就是内隐训练任务。训练内容是不断重复的多种工作记忆任务，在每次训练结束后会给训练者反馈和一定的奖赏，并且训练任务的难度会随着每个训练者不同的训练效果而有所调整。

与外显训练不同，内隐训练并不是直接教给被试记忆策略，因而结果更能反映出被试在训练过程中习得的能力。除此之外，内隐的训练过程一般都是程序化的，训练时间更加灵活，进而训练过程可以实现标准化、统一化，也使得训练程序具有更高的推广价值（Klingberg，2010）。现在的大多数研究都是使用内隐的训练方法，因此本文中大部分工作记忆训练所指的都是内隐训练。

然而，无论是内隐的训练方法还是外显的训练方法，工作记忆训练主要针对的还是其各个成分的训练，接下来本文将从工作记忆的存储系统和中央执行系统分别来介绍工作记忆能力如何受工作记忆训练的影响。

3 工作记忆存储系统的训练

3.1 行为上的证据

按照训练的工作记忆存储系统的不同，工作记忆广度任务分为言语广度任务和视空广度任务分别训练语音回路和视空模板。言语广度任务一般是依次呈现由工作记忆任务（如算术题、逻辑判断）和词语组成的刺激，在单个刺激呈现的同时要求被试进行工作记忆任务的判断，并且在一组刺激呈现结束后进行词语的顺序回忆。也有以一组刺激结束后对刺激进行简单操作来计算被试的言语工作记忆广度的，如倒背数任务。而视空广度任务则是要求被试记忆刺激出现在电脑屏幕不同位置的顺序。在训练工作记忆广度的研究中，有的是单纯进行广度任务，有的是将广度任务和其他任务相结合进行多重工作记忆任务的训练。

Olesen，Westerberg和Klingberg（2003）以健康被试为研究对象采取的是单纯针对工作记忆广度的训练任务，使用了视空工作记忆任务、数字倒背任务和字母广度任务，他们发现所有的训练项目在训练期间成绩都逐渐提高，并且这种成绩的提高还迁移到数字广度任务和Stroop任务上。Chein和Morrison（2010）将两个存储系统同时作为训练对象，进行了视空工作记忆和言语工作记忆的训练。结果表明，不仅在短时记忆上成绩进步明显，同样，这种认知能力的提高也迁移到了未经训练的Stroop，阅读理解等任务上。相比于单纯广度的训练，结合其他认知能力的训练任务的任务更为丰富，训练的角度更为全面，因此训练的效果也较好。例如，Klingberg等人（2002）的研究中使用的是视空工作记忆，言语广度、字母广度和选择反应时任务的结合。这些研究结果都从行为指标上证明工作记忆的存储能力在训练中是不断增强的。

3.2 神经机制上的证据

近年来，认知神经科学的不断兴起为探索人类认知的发展规律提供了有效的工具，借助脑电和脑成像技术，研究者通过观察工作记忆存储状态的生理指标可以更为直接的评价在工作记忆训练中工作记忆能力的变化。

Horowitz-Kraus和Breznitz（2009）对阅读困难人群进行的研究中观察了ERN（error-related negativi-ty）在训练前后振幅的差异。研究者根据前人研究结果，即当发生阅读困难时，阅读障碍者所诱发的ERN要小于正常被试，假设ERN激活较弱可能阻止了阅读障碍者意识到自身发生了错误而造成了更多的阅读错误，试图经过认知训练来提高被试的阅读能力。训练任务主要包含听觉记忆任务、视觉记忆任务和跨通道的记忆任务，每个被试的训练难度依据自身特点制定，每次训练结束后给予反馈。通过对阅读障碍组和控制组的训练，在行为结果上阅读障碍组成绩的增幅要大于控制组，与此同时脑电结果上阅读障碍人群的ERN振幅也得到了明显的提高。

大量的fMRI研究结果表明，工作记忆容量和任务相关区域的激活之间是相关的，工作记忆的保持阶段这些脑区会呈现持续的激活（Xu & Chun，2005）。Todd和Marois（2004）的研究也说明存储的工作记忆项目的数量是可以通过相关脑区的相对激活程度观测到的。多项研究都表明BOLD中更高的激活水平通常都是与更高的容量相联系的，同时也再次借助生理学的指标证明我们通过训练的方式可以改变个体的工作记忆水平。Hempel等（2004）通过分析被试进行视空工作记忆任务时的fMRI扫描数据发现任务激活了右半球内侧顶叶沟和右半球额下回。经过为期2周的训练，该区域的激活程度明显增强，而在4周之后这些区域的激活却减弱了。在上文中曾经提及的Olesen等人（2003）的研究中，他们也发现了训练后与工作记忆相关的前额叶和顶叶皮层的激活增强。同样是训练工作记忆，Wexler，Anderson，Fulbright和Gore（2000）的研究中，对8个被试进行了为期10周共计10个小时的训练，左侧额下回的激活在这个过程中逐渐增强。可以发现，虽然不同的针对容量的训练研究中都显示出大脑的活动会受记忆训练的影响，但是影响的区域却不是完全一致的。

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中央执行系统的训练

4.1 行为上的证据

Baddeley（1974）指出，在复杂认知活动中工作记忆的存储成分所起的作用是有限的，相比而言中央执行系统由于其具有通用加工器性质因而作用更为重要。同时，大量研究也表明对中央执行系统功能的训练才是工作记忆训练的核心和实质。

中央执行系统的抑制能力是指在认知操作中大脑将注意分配到相关信息和加工过程上，并且保持对不相关信息的抑制（郭春彦，2007）。Johnstone，Roodenrys，Phillips，Watt和Mantz（2010）对工作记忆和抑制能力训练能否改善ADHD儿童患者的病情进行了考察，结果表明，相比于训练低强度组，高强度组的注意力不集中以及多动等症状有所改善。刷新是用新出现的刺激内容替换工作记忆中保持的旧的，实现信息的更替以匹配目前任务要求的过程。对刷新能力的训练一般采取的是N-back任务（Dah-lin，et al.，2008；Li，et al.，2008）。而赵鑫等（2011）对9到11岁儿童的刷新能力训练采用的是活动记忆范式，任务要求儿童看一系列长度未知的刺激，然后按指定的数量回忆刺激。研究者发现实验组儿童不仅在工作记忆任务上成绩有所提高，他们的流体智力也得到的明显的改善。除了抑制和刷新，在进行认知加工时还会常常出现多种操作竞争认知资源的过程，此时就要进行信息的转换，也就是认知资源在两种加工上相互切换。对转换功能进行考察的任务一般有加法减法转换任务，数字字母转换任务，数字转换任务和局部全局转换任务。虽然近年来对转换功能的重视程度不断增加，但是还鲜有研究将转换功能单独作为工作记忆训练的重点。

4.2 神经机制上的证据

关于工作记忆容量的行为研究中大部分结果包含了编码、延迟、比较和决策各个阶段的综合作用，难以凭借最终行为结果上的差异来判断发生在哪个或哪几个阶段。近年来，来自ERP研究的工作记忆容量指标CDA（contralateral delay activity）的出现为观测到保持阶段的存储容量提供了最为直接的证据（何旭，郭春彦，2013）。CDA是指当被试进行单侧视野的变化觉察任务时，对目标刺激的保持阶段在对侧脑区要获取比同侧脑区更负向的脑电波，即对侧延迟活动。Vogel和Machizawa（2004）发现，CDA的振幅反映了工作记忆编码和保持阶段的项目数量，保存的项目数越多，CDA的振幅也就越大，这一研究结果证明了CDA幅值敏感于工作记忆容量。

Owens等人（2013）使用变化觉察范式证明了焦虑症患者工作记忆容量下降的原因，即对无关信息的过滤能力受损，并通过CDA振幅的增加证明焦虑症患者的工作记忆能力以及无关信息过滤有效性是可以通过工作记忆训练提高的。研究主要采取自适应双重n-back任务对焦虑症患者的工作记忆刷新能力进行训练，训练周期为11至14天。在前测中，训练组和控制组的四个项目的CDA的振幅是没有差异，在训练结束后，训练组的振幅有所增强并且大于控制组，表明对研究中工作记忆中央执行系统刷新能力的训练是有效的。

同样是研究工作记忆刷新能力的训练对其他认知能力的迁移作用，Dalin等人（2008）使用fMRI对大脑相关区域的激活进行了考察。他们发现在每个被试的训练总数长达11个小时之后，被试的纹状体的激活程度明显增加，但是相比之下前额叶和顶叶皮层的活动却相对减少。这些研究结果都表明，工作记忆任务相关的脑区是具有可塑性的。

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小结

关于工作记忆训练研究已经取得了一定的成绩，很多研究者都通过实验证明了工作记忆水平是可以改变的，并且借助ERP和fMRI技术从认知神经层面更加清楚的了解到工作记忆训练过程中相关脑区的活动情况。但也必须认识到，工作记忆训练的研究刚起步不久，无论是从研究内容还是研究方法上都没有统一，不同的研究者使用不同的研究方法进行训练和评估，因此得到的结果还是有所争议的，工作记忆训练的一些问题还需要进行更加深入的探讨。

（1）工作记忆能力改善的效果持续多久？

在工作记忆训练的研究中，改善工作记忆水平是研究的最终目的，工作记忆提高是否有效是评估训练的重要指标之一。然而，很多相关研究最终的考察是在训练结束后立即进行的，很难对训练在日常生活中起到的影响进行可测量评估。除此之外，训练效果的持久性也受到质疑。

Dahlin等人（2008）的研究中考察了老年和年轻被试在训练中的工作记忆能力的提升和迁移到其他认知能力上的收益在训练后第18个月是否还能保持。他们发现，无论是老年被试还是年轻被试，工作记忆的训练都收益能够很好的保持，但是迁移效应在这个过程中就逐渐消退。Horowitz-Kraus和Breznitz（2009）延迟考察时间为6个月，同样是接受工作记忆训练，阅读障碍组在训练立即结束后收益较大，而控制组则是在更长的时间后收益要更为明显。

（2）工作记忆训练的方法是否确实有效？

即使是使用同样的工作记忆训练范式，大量的研究得到的工作记忆改变的效果却是有所差异的，也有研究中的训练并没有使工作记忆成绩有所提升。例如，1985年Abikoff等人为了考察认知训练对多动症儿童的有效性进行了记忆训练。研究者们对多动症儿童进行了为期十六周的训练，主要是强调问题解决的策略和社会性问题解决的技巧。然而，结果表明认知训练并没有提升多动症儿童的行为水平，训练是无效的。

目前，工作记忆训练的研究还处于探索时期，因此，对于训练到底该怎样训，该采取何种方法，训练多长时间、训练多久最合适，都还没有一个统一的定论。因此，很难说在结果上造成的差异是否有来自程序和方法上不同的影响。比如有的研究者使用的是工作记忆任务（von Bastian，et al.，2012；Olesen，et al.，2003），有的使用的是对中央执行系统的训练（赵鑫等，2011；Johnstone，et al.，2010），还有的是采用多重训练任务结合的方法，训练工作记忆的各个层面（Olesen，et al.，2003）。另外，测量的指标不同，也使得最终进行比较的工具有所差异，没有统一性，比较起来也缺乏科学性。在今后的研究中，随着研究的成熟，训练内容和程序都应更有代表性，评价标准也应日趋统一。

（3）工作记忆训练到底训练的是哪个成分？

本文中介绍工作记忆训练是分别针对工作记忆存储系统和中央执行系统的训练，但是还有一部分训练的任务是多重的，既包含存储系统，也包含中央执行系统。多重的工作记忆训练任务是多个不同训练任务的混合，从工作记忆的多个方面对认知能力进行训练，而不是局限于单种训练任务。

Westerberg和Klingberg（2007）通过为期5周的训练再次验证了相关大脑活动的可塑性，被试接受了包含视空广度任务、Stroop任务在内的工作记忆任务，结果表明在额中回和额下回上产生的神经活动的增强效应。他们的另一项研究中的训练任务则是倒背数字、位置记忆、追踪视觉目标等工作记忆任务和其他几种任务的结合。多重工作记忆训练由于其任务的多样性，保证了最终的训练效果，但是也有其不可避免的缺陷，比如不能判断出到底是训练的哪个成分造成成绩提高，训练内容很难与变化了的神经活动有个一一对应的明确的关系。

（4）训练能否使记忆限度突破容量4

工作记忆训练可以改善记忆容量的同时，也有大量的证据表明容量限制的存在。Vogel和Machizawa（2004）利用CDA这一神经生理指标证明，当记忆的项目数量达到4个时，振幅达到最高值并且不再增加。Todd和Marois的fMRI研究中也验证了这一观点，他们发现当项目数量达到3或4后后部顶叶的激活不再增加。同样，这一观点在大量的行为研究中也得到了支持（Luck & Vogel，1997；Vogel，Woodman & Luck，2001）。

在工作记忆训练的研究中，大多数证据都是来自对特殊人群的研究（Owens，et al.，2013；Holmes，et al.，2009；van der Molen，et al.，2010）。这些来自焦虑症、多动症患者或者智力障碍人群的实验证据表明，工作记忆训练对改善个体的工作记忆水平作用明显。但是，这些人群记忆容量和能力相比于正常人群来说都存在一定的缺陷，他们的工作记忆本身就是受限的，研究只能说明他们的记忆在训练之后的容量或者能力是相比于训练之前有所改善。目前的研究还很难说明，是否可以通过训练这一方式使人们的工作记忆突破传统的容量限制4。个体的工作记忆水平是否可以达到更高的水平这一问题还需要更多的证据加以支持。

目前，工作记忆训练研究还处于探讨时期，为了更好的解决上述提及的争议，还需要在进行研究时选取更加丰富的研究对象，对研究方法、训练程序等进行标准化，并在已有研究的基础上结合多种技术手段评估训练效果。相信在未来的研究中工作记忆训练不仅可以在实验室研究中影响记忆水平，也能将训练效果迁移到现实生活中，使工作记忆训练应用到更广阔的领域。