孤独症谱系障碍者的视觉−空间工作记忆缺陷及脑机制*

李松泽 胡金生 李骋诗 王 琦刘淑清 康晓东 崔 丽

(1辽宁师范大学心理学院, 大连 116029) (2大连医科大学基础医学院, 大连 116044)

(3四川省八一康复中心, 成都 611100) (4大连小海豚自闭症儿童康复中心, 大连 116000)

1 引言

孤独症谱系障碍(Autism Spectrum Disorder,ASD)是一组发展性神经发育障碍, 核心特征为社交困难和沟通障碍、重复行为和限制性兴趣(American Psychiatric Association, 2013)。目前最新的美国精神障碍诊断统计手册第五版(Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders, DSM-V,2013)取消了孤独症谱系障碍下的分组,DSM-IV所描述的孤独症(autism)、阿斯伯格症(Asperger syndrome)、未分类广泛型精神发育障碍(PDD-NOS)均不再独立出现, 都统称为孤独症谱系障碍。将孤独症作为“谱系障碍”, 既可强调表型的多维性, 又反映出病因的复杂性和相通性(Brenner et al., 2015)。鉴于ASD表型差异较大, 把握共同的神经生理机制可能是实现其预防、鉴别和干预的重要突破口。这一共同机制应涉及多种表型的一般生物学通路, 并有外显的、可测量的行为指标。虽然孤独症谱系障碍的核心在于社会交流问题, 但作为一种神经发育障碍, ASD个体在认知神经领域的缺陷具有重要临床意义。

视觉−空间工作记忆(visual-spatial working memory)指个体对视觉信息进行短暂存储和加工的能力, 包括对刺激物颜色、形状等物理特征的记忆, 即客体工作记忆; 对刺激物空间位置的记忆, 即空间工作记忆。目前, 关于工作记忆的机制,居主导地位的理论模型是多成分模型(Multicomponent Mode, 图1)。该模型认为, 工作记忆具有语音环路(phonological loop)、视觉空间模板(visual-spatial sketchpad)、中央执行系统(central executive)和情景缓冲器(episodic buffer)4个系统(Baddeley, 2000; Baddeley & Hitch, 1974)。视觉−空间工作记忆是工作记忆各系统相辅相成的过程。视觉空间模板完成对视空间信息的暂时存储;中央执行系统起到对注意等认知资源的分配, 以及对各个加工环节的整合与协调的关键作用; 语音环路能够在必要时将视觉信息转换为语音信息进行存储, 以提高记忆效率。因此, 视觉−空间工作记忆的完成有赖于工作记忆各系统间的协调。

图1 工作记忆的多成分模型

ASD个体的视觉−空间工作记忆具有行为层面的加工缺陷, 且存在明显的认知神经网络激活异常。一方面, ASD个体的工作记忆系统各部分发展不平衡。多数研究结果表明, 他们视觉空间模板功能存在明显缺陷, 中央执行系统功能受损,语音环路存储功能相对完好(Cui, Gao, Chen, Zou,& Wang, 2010; Mammarella, Giofrè, Caviola,Cornoldi, & Hamilton, 2014; Williams, Goldstein,Carpenter, & Minshew, 2005)。与言语工作记忆相比, ASD个体的视觉−空间工作记忆加工缺陷更为突出, 对日常生活中的行为表现、社会功能都造成影响。另一方面, 神经影像学证据显示, 正常人在工作记忆加工过程中出现额−顶工作记忆网络激活, 而ASD个体的神经网络激活模式异于常人,他们额−顶工作记忆网络失活, 脑后部区域激活增加, 这些异常主要存在于视觉−空间工作记忆加工过程(Barendse et al., 2013; Koshino et al.,2008; Luna et al., 2002; Vogan et al., 2014)。因此,有关视觉−空间工作记忆的探讨为寻找ASD的神经生物学病因提供了重要支持。

2 ASD个体的视觉−空间工作记忆缺陷

2.1 认知负荷效应

ASD个体的视觉−空间工作记忆存在随认知负荷增大而缺陷加重的特点。认知负荷是指完成任务所需认知资源的量。人的认知资源是有限的,对刺激的加工需要占用认知资源, 需要记忆的信息越复杂, 对认知资源的需求量越大。这种“复杂”涵盖两个层次, 一是对象特征的复杂性; 二是任务操作的复杂性, 如记忆策略、抑制干扰等(Barendse et al., 2013)。大部分研究表明, ASD个体的视觉−空间工作记忆缺陷存在认知负荷效应(effects of cognitive load), 即信息越复杂, ASD个体的工作记忆缺陷越严重, 记忆成绩与正常组相比差距越大(Geurts, Verté, Oosterlaan, Roeyers, &Sergeant, 2004; Goldberg et al., 2005; Mammarella et al., 2014; Vogan et al., 2014)。

首先, 这一效应体现在经典的N-back任务。该任务是最为常用且广泛认可的工作记忆任务,涉及信息保持、刷新、整合等复杂的加工过程, 一般包含0-back、1-back和2-back三个由易到难的水平(Chatham et al., 2011)。研究发现, 在低难度情况下, ASD个体的行为表现并无明显异常, 随着难度增大, ASD个体在反应时、正确率上呈现出比正常组被试更大幅度的下降趋势。de Vries和Geurts (2014)使用图片材料的N-back任务考察8～12岁ASD儿童的客体工作记忆能力, 结果发现在0-back到1-back水平上, ASD儿童的正确率随难度水平增加表现出比正常儿童更明显的下降。Cui等(2010)的研究发现, 阿斯伯格症者在空间位置的 N-back任务中受难度水平影响较大, 与1-back相比, 阿斯伯格症者完成难度较大的2-back任务所需反应时延长, 且延长幅度显著大于正常组, 但并未发现正确率的差异。

其次, 在剑桥大学神经心理成套测验(Cambridge Neuropsychological Tests Automated Battery, CANTAB)的空间工作记忆测验中, 认知负荷对ASD个体的影响也较为明显。测验中向被试呈现若干方块,被试点击方块寻找“隐藏”在方块后面的标记, 并将找到的标记拖动到屏幕侧面的条形框。随着任务难度的增加, 方块数量从3个逐步增加到8个,隐藏标记数量也随之增加(Matsuura et al., 2014)。这一任务的操作过程较为复杂, 需要被试形成固定的搜索策略, 并克服拖动动作对记忆的干扰。研究结果表明, 高功能ASD被试的搜索效率明显较低, 而且随着任务难度的增大, 高功能 ASD被试与正常被试的差距更明显。他们完成任务需要更长时间, 搜索错误率更高, 即更多地重复点击已经查看过、或已经找到过标记的方块, 难以形成相对固定的搜索策略(Kaufmann et al., 2013;Landa & Goldberg, 2005; Steele, Minshew, Luna, &Sweeney, 2007)。

此外, 还有很多研究者在记忆与学习广泛评估测验(Wide Range Assessment of Memory and Learning, WRAML)中的几何图形记忆、图片记忆分测验, 以及矩阵任务、变化觉察任务中发现ASD群体的任务表现受认知负荷的影响较大(Jiang, Capistrano, & Palm, 2014; Mammarella et al.,2014; Southwick et al., 2011; Williams, Goldstein,& Minshew, 2006)。而且, 在言语工作记忆中, 这种效应也得到了验证(Andersen, Hovik, Skogli,Egeland, & Øie, 2013; Gabig, 2008)。ASD 个体的信息加工缺陷随认知负荷增大而加重的效应在视觉−空间工作记忆研究中颇具共识性, 可见, 认知资源不足是 ASD个体工作记忆缺陷的主要原因之一, 这可能与信息加工过程中异常的脑区激活有关。因此, 这种效应是否也出现在其他认知过程中, 值得进一步关注。

2.2 记忆容量不足

ASD个体的视觉−空间工作记忆存在容量不足的特点。记忆领域的研究早已证实, 人能够记忆的刺激量是有限度的, 超出这个限度时, 记忆成绩就会下降(Brady & Tenenbaum, 2013)。这个“限度”就是工作记忆容量(working memory capacity),即工作记忆中能够同时储存的项目数量。目前,基于ASD群体的视觉−空间工作记忆容量的研究主要集中在空间位置记忆。

空间工作记忆容量(spatial working memory capacity), 也称空间广度(spatial span), 是个体能够保持位置信息的数量。过去10年, ASD群体空间工作记忆容量的研究大多采用传统的空间广度测验, 将ASD被试与正常被试的记忆容量进行对比(表1)。这种测验的基本逻辑是, 以能够实现位置加工的网格或矩阵为载体, 逐个呈现或同时呈现一系列刺激, 刺激呈现全部结束后, 要求被试对所呈现刺激的位置信息进行重复。刺激呈现数量逐渐累加, 被试能够记住的刺激数量的上限就是记忆容量。这种测量方法直接、明了、可信度高, 传统的空间广度测验都基于此种原理。多数研究表明, ASD被试的空间工作记忆容量显著小于正常被试。少数研究未发现ASD被试与正常被试的容量的统计学差异, 仅从数字上看, ASD被试的记忆容量呈现小于正常组被试的趋势。

除直接测量的方法外, 最近研究在变化觉察任务中估算ASD儿童的空间工作记忆容量, 并进一步证实了 ASD个体存在记忆容量的不足(Jiang et al., 2014)。该任务要求被试记住同时呈现的多个刺激的空间位置, 但只对其中一个刺激的位置是否正确进行判断, 被试的反应时和正确率作为结果评估指标。其判断的正确率(M)取决于刺激呈现数量(N)和被试记忆容量(C)的关系。当刺激呈现数量小于或等于记忆容量时, 从理论上讲, 正确率应为 100%; 当刺激呈现数量大于记忆容量时, 超出项目的正确率应遵照概率, 为50%。因此,M = [C×100% + (N−C)×50%] / N。由此公式, 可以根据刺激呈现数量和被试的正确率来估算其空间工作记忆容量(Schneider-Garces et al., 2010)。Jiang等人(2014)以此估算方法, 发现高功能 ASD儿童的空间工作记忆容量比正常儿童低约25%。

ASD个体空间工作记忆容量小, 证实其存在视觉空间模板的功能失调, 并不仅仅是认知资源不足。这提示ASD个体的空间工作记忆缺损是机制性的, 其记忆存储器可能存在功能异常。

2.3 注意功能失调

工作记忆被看作注意控制下的暂时存储系统,注意对工作记忆的作用是全局性的。在工作记忆多成分模型中, 最复杂、最核心的中央执行系统便是一个注意分配系统, 负责对目标信息的有意义注意和对无关信息的抑制(Baddeley & Hitch,1974)。Cowan (1999)所提出的工作记忆的嵌套加工模型(embedded-processes model)也特别强调注意在工作记忆中的作用, 在这一模型中, 注意焦点与工作记忆容量有直接关联(图2)。可见, 持续注意和注意分配在工作记忆中扮演重要角色, 持续注意主要用于对一系列刺激的加工和复述, 注意分配关系到对目标刺激的注意和对无关干扰的抑制, 以及同时记忆多个刺激时对认知资源的合理分配。

表1 ASD被试与正常被试空间工作记忆容量的比较

多项研究显示, ASD群体存在明显的持续注意、注意分配缺陷, 而且影响到工作记忆的加工,尤其在工作记忆任务较为复杂时, 注意力缺陷也更加明显(Chien et al., 2015; Yerys, Wallace,Jankowski, Bollich, & Kenworthy, 2011)。由于孤独症个体常伴随注意缺陷、多动、冲动等症状,DSM-V也认可了孤独症与注意缺陷多动障碍(Attention Deficit Hyperactivity Disorder, ADHD)的双重诊断,许多研究者将ASD个体的注意问题归结为ADHD症状。然而, 多数研究显示, ASD个体的视觉−空间工作记忆缺陷与 ADHD症状并无显著相关(de Vries & Geurts, 2014; Jiang et al., 2014)。所以, 在注意力缺陷方面, ASD群体可能具有独特的机制,并不能简单归结为ADHD症状引起, 孤独症者在认知加工过程中表现出的注意力特点对于理解其认知缺陷具有独特的意义。

研究发现, ASD个体在刺激短暂呈现又消失时, 容易出现注意缺陷, 而刺激持续呈现于视野时, 他们的注意力是相对完好的。在Jiang等(2014)的注意追踪任务中, 高功能ASD儿童表现出与正常儿童相当的注意力和追踪能力。在该任务中,向被试呈现 8个红色方块, 其中 3个方块中“藏”有小猫图片, 被试追踪小猫的位置。追踪期间所有方块随机运动 6秒, 第 1秒出现小猫, 其余 5秒变成和干扰方块相同的红色方块。运动停止后,被试确认此时小猫的位置。该任务要求被试同时对几个动态刺激注意至少 5秒, 不断更新目标的空间位置信息, 并忽视非目标位置移动对目标的干扰, 这离不开持续注意和注意分配。因此, ASD个体并不是在任何情况下都存在注意力缺陷, 他们的视觉注意核心机制可能是完整的(Fischer,Koldewyn, Jiang, & Kanwisher, 2014; Grubb et al.,2013), 而行为中表现出的注意力缺损由注意与其他机制连接不良导致, 例如, 视觉系统的输入和记忆存储器的短暂存储。

图2 工作记忆的嵌套加工模型

注意追踪任务与其他空间工作记忆任务的主要区别在于, 物体是否持续呈现在视野。注意追踪任务中, 物体在时间、空间上都是连续呈现的,有利于注意系统在加工过程中持续激活; 其他空间记忆任务中的刺激呈现是不连续的, 刺激出现几秒又消失, 需要在头脑中对目标位置保持持续注意, 更大程度地依赖复述和记忆存储器的短暂存储。由于视觉系统对新异刺激的输入存在偏好,记忆存储器的工作容易受到消失后再次出现的视觉刺激的干扰(Makovski, Sussman, & Jiang, 2008)。由于 ASD个体的注意功能难以在视觉刺激消失和新异刺激出现时灵活地进行调节, 因此, 当刺激非持续呈现在视野时, ASD个体表现出持续注意和注意分配的缺陷, 进而出现明显的视觉−空间工作记忆的困难。

2.4 整合加工缺陷

人对空间位置信息的记忆, 依赖对刺激间位置关系的组织整合, 这可看作是“组块”的过程。Watter, Heisz, Karle, Shedden和Kiss (2010)有关空间工作记忆的事件相关电位研究发现, 当要求被试记住逐一呈现的 3个刺激的空间位置时, 右侧前额叶慢波电位在第 1个刺激出现时最强, 在刺激2、3出现时明显缓和, 这表明个体对刺激1进行了深度加工, 而刺激2、3则在刺激1空间位置的基础上进行整合, 也就是说, 个体对一系列刺激的空间位置记忆采取整合加工策略, 依赖刺激间的位置关系。

ASD个体存在着重局部与细节, 忽略整体组织的认知加工特点, 即弱中央统合(weak central coherence)。表现为无法提取整体的形式和含义,但在局部和细节加工方面具有特殊的优势(Happé& Frith, 2006)。最近有研究者认为, ASD个体在空间工作记忆中也存在弱中央统合的特征, 他们将刺激物孤立记忆而忽视位置关系, 难以将空间信息进行“组块”。Mammarella等(2014)和 Jiang等(2014)都对该假设进行了验证, 但结论并不一致。

Mammarella等(2014)采用高/低组织水平的矩阵任务(High-and Low-semantic matrix patterns task)考察 ASD儿童在不同记忆负荷情况下对高整体组织和低整体组织材料的空间工作记忆水平。该任务向被试呈现一个网格矩阵, 半数网格填充成黑色, 要求被试记忆被填充网格的位置。在高整体组织的材料中, 被填充网格常两两相连,更容易被知觉为一个整体, 而低整体组织的材料中的被填充网格各自孤立, 难以整体觉知。根据实验结果, 正常被试在容易整合的高整体组织条件下的记忆效果显著优于ASD被试。而ASD组表现出明显着重细节的特征, 在记忆负荷较低时,ASD组对低整体组织材料的记忆效果优于正常组。因此推测, ASD个体在空间位置加工中存在弱中央统合的认知特点。

Jiang等(2014)采用变化察觉范式考察高功能ASD儿童的空间位置记忆是否依赖刺激间位置关系。实验首先在8×8的隐形网格内呈现3或6个绿色小球, 要求被试记住这些小球的位置, 经过1秒空屏后, 呈现同样数量的小球, 其中1个小球以红色框框住, 为目标刺激, 其余小球为背景。要求被试判断被框住的目标小球是否在原来位置。测验中, 背景小球可能出现在原来位置, 也可能在其他位置, 如果空间工作记忆的效果依赖刺激间的位置关系, 那么, 背景小球位置不变时的记忆成绩会好于背景小球位置改变时的成绩。实验结果显示, 高功能ASD被试与正常被试同样对刺激间位置关系进行了觉知, 背景小球的位置变化同等程度地影响着高功能 ASD被试对目标小球位置的记忆。根据此研究结果, ASD个体的空间工作记忆存在整体加工过程, 并不支持弱中央统合。

两项研究之所以结论不同, 可能与实验任务的差别有关。Mammarella等(2014)的研究所采用的网格矩阵任务, 被试能够根据所呈现的网格来逐个定位每一个刺激, 因此更容易进行单个的细节加工; 而Jiang等(2014)的研究采用8×8隐形网格, 被试并不能看到这些网格, 只能看到若干目标刺激, 由于缺乏定位线索, 被试可能无从对每个刺激的位置独立加工。今后的研究应控制刺激材料的组织程度, 如分出高组织和低组织两个水平,考察ASD个体在不同组织程度上的知觉倾向。而且,刺激材料应设有网格等细节加工的定位线索。

3 ASD者视觉−空间工作记忆的脑功能和脑结构异常

3.1 脑功能异常

神经影像学研究显示, ASD个体在视觉−空间工作记忆加工过程中存在脑功能异常, 主要表现为负责高级认知加工的额−顶工作记忆网络功能失调, 而负责低级视觉信息处理的枕−颞叶区域代偿激活。这符合 Mottron, Dawson, Soulieres,Hubert和Burack (2006)提出的孤独症知觉功能促进化模型(Enhanced Perceptual Functioning model),该模型认为, ASD个体在完成与知觉有关的任务时, 低水平的视、听知觉参与度较高, 在复杂的视觉任务中更多地使用脑后部神经网络, 对于高级认知加工任务往往采取低水平的知觉加工方式。

额−顶工作记忆网络(fronto-parietal working memory networks)包括前额叶皮层、运动皮质区、背侧扣带回、后顶叶皮层等大脑皮质区, 是视觉−空间工作记忆的神经基础(Barendse et al., 2013)。综合多项功能性核磁共振成像(fMRI)研究结果,ASD者额−顶工作记忆网络存在明显的功能异常。Luna等(2002)首次在视觉−空间工作记忆任务中发现, ASD个体背外侧前额叶皮层和后扣带回激活较少。Silk等(2006)在一项孤独症者心理旋转能力的fMRI研究中发现, ASD组与控制组在行为表现上并没有显著差异。但是, ASD被试呈现明显的前额叶区域激活减低, 包括前扣带回, 背外侧前额叶皮层和尾状核。Solomon等(2009)使用准备和执行优势反应抑制任务(the preparing-to-overcome prepotency task, POP task)来研究ASD者的认知控制缺陷。该任务涉及工作记忆过程, 要求被试记忆并保持认知线索, 以克服优势反应趋向。这项研究发现, ASD组与控制组被试相比前额叶、顶叶区域激活明显较少, 且前额叶和顶叶功能连接异常。Vogan等(2014)采用 1-back颜色匹配的视觉−空间工作记忆任务, 结合 fMRI技术考察额叶、顶叶脑区的皮层激活模式随信息负荷的变化,结果显示, ASD被试与正常被试虽然在行为水平上无显著差异, 但脑激活趋势不同。随着信息负荷增大, 正常被试前额叶和顶叶皮质激活逐渐增大, 尤其在高负荷任务中更明显, 这些区域在高级认知加工过程中起核心作用。而ASD被试并未出现明显的额叶、顶叶皮质区激活, 他们仅出现脑后部视觉区激活增大, 包括双侧梭状回和枕中回, 这些区域只涉及低级认知加工。这些结果表明, ASD个体额−顶工作记忆网络失活, 脑后部区域的激活可看作是他们完成工作记忆任务的一种内部补偿机制, 但这种低水平的代偿激活并不能胜任对高级认知功能要求较高的任务。

值得注意的是, 许多研究报告了ASD被试在视觉−空间加工任务中背外侧前额叶皮层激活较小(Chantiluke et al., 2015; Luna et al., 2002; Luna,Doll, Hegedus, Minshew, & Sweeney, 2007)。该区域的功能在于将当前任务的记忆信息进行组织、压缩, 为接下来的任务反应做准备(Weissman, Perkins,& Woldorff, 2008)。ASD个体在这一区域的功能缺损导致其难以采取适当的组织策略, 如组块的方法, 进而在视觉−空间工作记忆上出现困难。

另外, 默认网络功能的异常也是ASD者视觉−空间工作记忆加工缺陷的原因之一。默认网络是个体在清醒静息状态下活动的脑网络, 当个体完成某一任务时, 默认网络处于抑制状态, 即去激活状态, 主要包括内侧前额叶皮层、后扣带回、顶下小叶等脑区(Whitfield-Gabrieli & Ford, 2012)。Arsalidou, Pascual-Leone, Johnson, Morris和Taylor(2013)研究发现, 正常人完成视觉−空间工作记忆任务时呈现默认网络去激活状态, 且任务难度越大, 去激活越明显。然而, 根据以往研究, 默认网络功能的异常是 ASD群体的核心脑缺陷之一(Assaf et al., 2010), 在工作记忆任务中也曾发现ASD者后扣带回激活水平异常(Chantiluke et al.,2015)。默认网络作为认知功能的基础神经网络,可能是 ASD群体许多认知功能缺陷的重要机制,在今后的认知评估及药物干预中应予以足够重视。

3.2 脑结构异常

ASD作为一组神经发育障碍, 其神经系统结构是先天有异于常人的。孤独症的分年龄组织解剖异常理论(theory of age-specific anatomic abnormalities)认为, ASD病态的脑发育有 3个明确阶段：第 1阶段是出生至童年早期的脑发育异常加速; 第 2阶段是童年期至青春初期的脑发育过缓; 第 3阶段是青春期到成年早期出现的脑发育停滞, 此时ASD者的脑发育不成熟, 正常人的脑部体积在此时期会明显超过ASD者(Courchesne, Campbell, &Solso, 2011)。ASD者的脑发育异常必然导致各脑区结构与结构连接异常, 进而影响认知加工功能。

首先, ASD个体存在额−顶工作记忆网络相关脑结构变化。研究已证实, 大脑灰质与白质的成熟与工作记忆有关, 而且, 工作记忆网络相关脑区的脑结构也将影响到工作记忆加工过程。迄今为止, 许多结构性核磁共振研究发现, ASD群体存在局部脑区结构异常。Kaufmann等(2013)对阿斯伯格症青少年在 CANTAB任务下的脑灰质和白质体积进行扫描, 研究发现, 阿斯伯格症被试在完成 CANTAB的空间工作记忆任务时比正常被试犯错更多。同时, 结构脑成像数据显示, 与正常被试相比, 阿斯伯格症者左侧额中回和右侧楔前叶中部灰质体积增大, 右侧楔前叶边缘灰质体积较小; 而且, 双侧额中回、左侧舌状回、右侧中央前回白质体积增大, 左侧扣带回白质体积较小。其中, 楔前叶灰质和中央前回白质与空间工作记忆明显相关。此外, 许多研究发现ASD群体存在工作记忆相关的脑结构异常, 包括大脑皮质体积异常, 如前额叶皮质增大、右顶叶皮层增大、左侧顶叶和颞叶缩小等(Cheng, Chou, Fan, & Lin,2011; Wallace, Dankner, Kenworthy, Giedd, & Martin,2010); 以及沟回数量和解剖形态的异常, 如额叶、顶叶、颞叶出现沟回增加, 额上沟、大脑侧裂、额下回、颞横回等处的沟回异常(Awate, Win,Yushkevich, Schultz, & Gee, 2008; Nordahl et al.,2007)。由此可推测, ASD个体的脑发育模式异常,尤其是局部发育过度, 导致了视觉−空间工作记忆加工功能的异常。

其次, ASD个体存在额−顶工作记忆网络相关脑区的结构连接异常。近年来, 越来越多的研究采用弥散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)技术描述ASD群体的大脑轴突架构, 这是一种以结构性核磁共振为基础的技术, 能够揭示大脑白质束的完整性和连通性。在ASD群体中经常发现白质束完整性的损伤。Cheng等(2010)研究发现,ASD者前额叶区域呈现过多的、杂乱的白质束连接, 这表明ASD群体前额叶区域存在与其他脑区的过度连接和失同步性。Shukla, Keehn, Smylie和Müller (2011)发现ASD者存在包括额叶、顶叶、颞叶在内的全脑白质束过度连接。Billeci,Calderoni, Tosetti, Catani和 Muratori (2012)研究发现, ASD群体存在广泛的白质通路各向异性分数(fractional anisotropy, FA)增大, 具体表现为扣带回、胼胝体白质纤维长度增大、FA增大, 右侧弓形束和左侧扣带回白质平均弥散率(mean diffusivity,MD)增大。这些研究结果表明, ASD群体脑白质结构连接存在异常, 而这些区域对视觉−空间工作记忆产生影响。

孤独症者存在全脑的结构连接异常, 结构的异常必然导致功能的异常。因此, 大脑发育模式是解释ASD个体视觉−空间工作记忆缺陷的最为直接、根本的原因之一。虽然许多研究均发现ASD个体存在额−顶工作记忆不同脑区结构的明显异常, 但研究不够系统化, ASD者的大脑异常发育究竟从哪些方面影响着视觉−空间工作记忆, 还需要依托更多实验任务来研究佐证。将行为指标、脑功能与脑结构指标结合起来系统剖析, 可能是深入揭示ASD个体视觉−空间工作记忆脑神经机制的可行手段, 对ASD的病因学探究也起到至关重要的作用。

4 ASD者视觉−空间工作记忆与其他认知过程的关系

4.1 视觉−空间工作记忆与言语工作记忆的关系

虽然视觉信息存储主要依赖视觉空间模板,但语音环路有时也起到辅助作用。在对刺激物的几何形状、颜色等物理特征进行记忆时, 个体倾向于将这些视觉信息转换为容易复述的语音编码,输出记忆内容时, 再将语音编码转换为视觉编码。客体工作记忆中加入言语工作记忆的过程,提高了记忆效率和准确性。而空间位置信息由于较难进行语音编码而更多依赖中央执行系统(McAfoose & Baune, 2009)。

多项研究发现, ASD个体存在视觉加工偏好,在工作记忆任务中更依赖视觉特征, 忽视语音加工。Koshino等(2005)用fMRI结合字母N-back任务, 考察 ASD个体言语工作记忆的脑区激活模式。结果显示, 正常被试呈现双侧前额叶激活,ASD被试右侧激活与正常组相似, 左侧激活明显较少。而语音加工主要与左侧前额叶皮层相关,视觉加工主要与右侧前额叶皮层相关。因此推知,ASD被试将字母进行基于形状特征的视觉编码而非语音编码。此外, 多项视觉−空间工作记忆的fMRI研究也发现, ASD个体枕叶、颞叶区域激活较多, 这些区域反映视觉为基础的加工倾向, 从神经基础上验证了 ASD者的视觉加工偏好(Koshino et al., 2008; Vogan et al., 2014)。

与之相反, 也有研究认为, ASD个体存在将视觉信息转换为语音编码的加工机制。Cui等(2010)研究发现, 阿斯伯格症儿童几何图形记忆能力好于空间位置记忆。与此同时, 他们表现出一定的言语工作记忆的优势。由此推测, 阿斯伯格症儿童可能将几何图形进行了语音编码, 从而提高了记忆效率。Ozonoff和Strayer (2001)采用几何图形N-back任务, 在高功能孤独症儿童中也发现类似的现象。但是, 目前并无研究直接证实ASD者在视觉工作记忆任务中是否采用语音编码辅助。

虽然研究结论并不一致, 但可以看出, ASD个体相对于正常个体来说, 难以快速整合、转换、灵活运用视觉编码和语音编码, 缺乏将言语工作记忆与视觉工作记忆结合起来以提高记忆效率的加工策略。但是, ASD个体启动视觉或语音编码遵循怎样的规律和机制, 他们是否能够同时启动两种编码, 以及怎样的言语工作记忆任务能使他们克服视觉加工偏好, 还需进一步研究佐证。

4.2 视觉−空间工作记忆与其他执行功能的关系

执行功能是个体对思想和行为进行有意识控制的过程, 主要包括计划、工作记忆、抑制控制、认知灵活性以及动作启动和监控等(Miyake &Friedman, 2012)。执行功能障碍理论与心理理论缺陷假设、弱中央统合理论并称为ASD的三大认知功能理论。探讨视觉−空间工作记忆与其他执行功能的交互作用, 既能更好地理解ASD个体视觉−空间工作记忆的加工特点与受损环节, 又能综合把握ASD者的执行功能缺陷。

首先, 抑制控制与视觉−空间工作记忆关系密切。一方面, 表现在对前摄干扰的抑制, 如对目标刺激进行选择性注意时对非目标的抑制, 以及记忆刷新过程中对之前信息的抑制; 另一方面,表现在对后摄干扰的抑制, 如任务操作产生的无关动作的干扰, 刺激呈现的非连续性带来的视觉干扰等。例如, 在N-back任务中, 被试必须持续刷新工作记忆的暂时存储信息, 抑制无关刺激的干扰; 在CANTAB的空间工作记忆任务中, 需要将找到的标记拖动到屏幕侧面的条形框, 而记忆的保持就要求抑制这一动作产生的干扰。研究表明, ASD者存在轻度至中度的抑制控制受损(Geurts,van Bergh, & Ruzzano, 2014)。de Vries和 Geurts(2014)采用N-back任务和停止信号任务考察ASD个体的工作记忆和抑制控制能力。结果显示, ASD个体存在工作记忆和抑制控制缺陷, 他们的N-back任务在1-back条件下错误率明显较高, 且停止信号任务反应时较长。但是, ASD被试的N-back和停止信号任务成绩并无显著相关, 而正常被试两任务成绩呈显著相关。这可能暗示, 对于ASD群体来说, 工作记忆与抑制控制的机制是相互独立的。然而, 停止信号任务主要涉及对优势反应的抑制, 并不涉及前摄抑制和后摄抑制, 与工作记忆的关联不大。因此, ASD个体的工作记忆与抑制控制的关系需采用其他范式进一步揭示, 直接考察前摄抑制和后摄抑制对工作记忆的影响。

另外, 认知灵活性影响到视觉-空间工作记忆的加工, 主要表现在信息的刷新、记忆中存储的信息与当前刺激的比对、对位置变化的追踪等。例如, 注意追踪任务要求被试对 8个连续移动刺激中的 3个指定目标的位置进行追踪和记忆, 由于目标位置不断变化, 被试需要即时刷新位置信息(Jiang et al., 2014); N-back任务涉及持续刷新记忆信息并即时比对, 因此也离不开认知灵活性。大量研究发现, ASD群体存在明显的认知灵活性缺陷(Geurts, Corbett, & Solomon, 2009; van Eylen et al., 2011)。而他们在不同工作记忆任务中的表现有差别, 当任务涉及记忆信息刷新, 而不只是涉及信息存储时, 缺陷往往更加严重(Travers,Klinger, & Klinger, 2011)。由此推断, ASD者的工作记忆缺陷部分来自认知灵活性的缺陷, 即认知资源难以在刺激间灵活分配和转换, 从而导致记忆成绩下降。

4.3 视觉−空间工作记忆与社会认知的关系

工作记忆不仅在复杂的信息加工中扮演重要角色, 而且也在社会认知和人际互动中起到至关重要的作用。从面孔、身体、语言信息中解读社会线索、理解社交意图、学习社会规则都需要大量的工作记忆投入(Hill & Frith, 2003; Phillips,Channon, Tunstal, Hedenstrom, & Lyons, 2008)。而且, 在社会交往中, 将自己的需要和愿望与互动中对方的需要和愿望平衡起来, 也离不开工作记忆(Baddeley, Della Sala, Papagno, & Spinnler, 1997)。

已有研究证实了ASD群体的视觉−空间工作记忆缺陷与社会交流问题的关系。一方面, ASD儿童在学习社会规则时更多依赖机械记忆, 而不是像普通儿童那样能够理解并运用社会规则。因此, ASD儿童学习社会规则需要更多的工作记忆投入。然而, ASD儿童在工作记忆加工过程中认知资源有限, 难以对复杂的社会信息进行整合加工, 因而出现适应困难。另一方面, ASD个体认知灵活性较差, 中央执行系统的协调性欠缺, 在工作记忆中很难迅速进行信息刷新, 因而难以及时调整自己的行为以适应灵活多变的社会情境(Hill& Frith, 2003; McGonigle-Chalmers, Bodner, Fox-Pitt,& Nicholson, 2008)。

首先, ASD个体的面孔、表情识别能力与视觉−空间工作记忆密切相关。人在短时记忆中高精度地存储面孔特征信息, 对于有效理解、管理和表达情绪是至关重要的(Bankó, Gál, & Vidnyánszky,2009)。因此, 短时间、高精度存储面孔信息能力的不足是 ASD个体情绪加工缺陷的内在原因之一。Koshino等(2008)使用面孔 N-back任务考察ASD者对面孔的工作记忆能力。研究结果显示,ASD和正常被试在行为表现上并无显著差异, 但从fMRI所呈现的脑激活模式来看, ASD被试与正常被试对面孔材料的加工方式有异。ASD被试左侧前额叶、右后颞叶激活较小, 梭状回激活位置与正常被试比对有偏差。这说明ASD者倾向于机械地将面孔作为单纯的物理刺激来知觉与加工,而不是作为社会信息来看待。O'Hearn, Schroer,Minshew和Luna (2010)的研究采用剑桥面孔记忆测验(Cambridge Face Memory Test, CFMT), 要求被试首先对 1个或几个目标面孔进行记忆, 然后从3个给定面孔中再认目标面孔。结果显示, ASD与正常被试在行为表现上差异显著。ASD者存在面孔记忆缺陷, 他们难以在短时间内高精度存储面孔信息。该研究结果与Koshino等(2008)不一致,可能由于与面孔N-back任务相比, 剑桥面孔记忆测验包含的信息较为复杂, 被试需要记忆面孔的多个角度, 或者同时记忆多个面孔, 存储大量的面孔信息更加依赖对社会信息的解读和加工, 因此ASD个体表现出的记忆缺陷更加明显。

其次, ASD儿童的心理理论缺陷与视觉−空间工作记忆有关。大量研究证实, ASD个体存在明显的心理理论缺陷, 他们难以形成对自己或他人心理状态的感知, 进而无法通过心理状态来解释和预测自己或他人的行为。目前, 多项研究在正常儿童中发现心理理论发展与视觉−空间工作记忆的关系。Carlson, Moses和Breton (2002)考察了心理理论与客体工作记忆的关系, 该研究采用了计数−命名双重工作记忆任务, 以及考察心理理论的表面−现实区分任务和错误信念任务。结果显示, 工作记忆中对信息进行分类保持和整合的能力对心理理论的发展有促进作用。Bull, Phillips和 Conway (2008)采用工作记忆和心理理论相结合的双重任务, 发现工作记忆的信息刷新能力与心理理论的发展关系密切。可见, 工作记忆能力是个体早期心理理论发展的重要环节, 能够将相互矛盾的信息或观点在记忆中进行完整存储和高效加工, 对于心理理论的理解和运用至关重要。目前, 已有研究发现, ASD儿童的心理理论、社会理解能力、道德判断能力与视觉−空间工作记忆有关, 且抑制控制、认知灵活性从中扮演了重要角色(Joseph & Tager-Flusberg, 2004; Kretschmer,Lampmann, & Altgassen, 2014)。由于ASD儿童视觉−空间工作记忆存在信息刷新困难, 且抑制无关信息的能力较差, 在心理理论任务中, 他们难以在记忆中保持和加工矛盾的信息或观点, 无法即时刷新社会信息, 因而缺乏灵活转变自身的观点或行为以适应情境的能力。

此外, 一些基于ASD诊断量表的研究也发现社会认知与视觉−空间工作记忆的密切关联。一项普通人的孤独症特质与工作记忆关系的研究发现,被试在孤独症谱系量表(Autism Spectrum Quotient)中的社会交流因子得分与客体工作记忆成绩显著相关, 存在社会交流困难的个体在客体工作记忆任务中表现更差(Richmond, Thorpe, Berryhill,Klugman, & Olson, 2013)。Landa和 Goldberg (2005)研究发现, ASD个体在CANTAB空间工作记忆分测验中的错误率与孤独症诊断观察量表(autism diagnostic observation schedule, ADOS)中的社会功能紊乱分数呈显著正相关。虽然这些关联的内在机制尚未明确, 但ASD群体的社会功能障碍与视觉−空间工作记忆的关系应予以足够重视。在今后的研究中, 应进一步把握视觉−空间工作记忆加工的各个环节对于 ASD个体社会认知功能的重要性, 并从认知神经的层面探究视觉−空间工作记忆与社会认知可能存在的共同机制。

5 小结与展望

5.1 在研究方法上, 着重把握生态性和发展性

首先, 从研究范式来看, 目前用于ASD群体的视觉−空间工作记忆任务多是历史较久、应用广泛的经典任务, 如 N-back任务、木块敲击任务;以及成套评估测验中涉及到视觉−空间工作记忆的分测验, 如 WRAML的几何图形记忆,CANTAB的空间工作记忆测验、空间广度测验等。这些实验范式较为成熟、严谨, 但ASD儿童有时难以理解和操作。鉴于ASD被试的特殊性, 必须着重提高其自主参与度。Salcedo-Marin, Moreno-Granados, Ruiz-Veguilla和 Ferrin (2013)在评价ASD和ADHD儿童的计划功能时采用了“动物园地图任务” (zoo map test), 该任务向儿童呈现绘有各种动物和道路分布的动物园地图, 要求儿童设计参观所有动物的最短路线。该任务贴近儿童生活, 容易理解, 富有趣味性, 具有良好的生态效度。特殊儿童的认知能力评估不仅是基础性的,更是生态性的, 应当着重关注其在日常生活中的积极意义, 工作记忆也是如此。因此, 今后的研究应当对经典的工作记忆任务进行改编, 使之更具情境性、贴近儿童日常生活, 从而提高ASD被试自主参与度, 达到更好的测试效果。

其次, 从认知神经技术来看, 应重视事件相关电位研究。现有研究大多采用核磁共振成像,然而, 事件相关电位(ERP)具有时间分辨率上的优势, 其价值不可替代。例如, 当刺激逐个呈现时,ERP可以观察到被试加工每个刺激时脑电波的变化, 从而分析其在视觉−空间工作记忆过程中认知资源的分配情况(Watter et al., 2010), 这是核磁共振成像难以描述的。一项有关ADHD儿童空间工作记忆的研究发现, 与正常儿童相比, ADHD儿童在加工过程中ERP波幅变异性较大, 他们难以持续稳健地维持空间信息的加工和记忆, 从而证明ADHD儿童存在空间工作记忆的困难(Myatchin,Lemiere, Danckaerts, & Lagae, 2012)。目前并无研究关注ASD个体视觉−空间工作记忆的事件相关电位变化。未来应结合多种神经生理学技术, 从时间、空间多维度把握ASD个体视觉−空间工作记忆的神经机制。

最后, 横断研究和纵向发展研究应兼顾。工作记忆是一种发展性的认知功能, 对于正常人来说, 工作记忆加工的基本模块结构6岁开始形成,学龄早期基本达到成熟(Gathercole, Pickering,Ambridge, & Wearing, 2004)。目前对于ASD者视觉−空间工作记忆的研究大多集中在学龄期和青少年期(Barendse et al., 2013; Cui et al., 2010;Jiang et al., 2014), 并无研究关注ASD儿童6岁以前的视觉−空间工作记忆发展。而且, 鲜有研究涉及多个年龄组的对比。然而, 多项研究表明, ASD群体的认知能力是发展变化的, 其认知功能随年龄发生发展的规律对于探索其病因学机制具有参考意义(Brenner et al., 2015; Piefke, Onur, & Fink,2012; Rosenthal et al., 2013)。将各个年龄段横向研究与年龄发展的纵向研究相结合, 既关注各年龄段发展特点, 又关注跨年龄段发展趋势, 可作为ASD群体视觉−空间工作记忆的开拓性研究方向。

5.2 在机制探究上, 细化客体与空间工作记忆的功能分离

工作记忆的多成分模型认为, 工作记忆系统包含语音环路和视觉空间模板两个子成分, 对应言语工作记忆和视觉−空间工作记忆两部分功能。也就是说, 基于特征的客体工作记忆和基于空间位置的空间工作记忆的存储加工均以视觉空间模板功能为基础。然而, 视觉−空间工作记忆系统在机制上存在分离, 物体特征的记忆和空间位置的记忆分属于不同的加工通道。

视觉加工有两大解剖学通路, 它们由初级视觉皮层延伸而来, 一条经过下颞叶皮层, 为腹侧通路, 另一条经过后顶叶皮层, 为背侧通路。腹侧通路主要涉及枕−颞神经网络, 负责物体特征的加工, 如颜色、形状等, 又称为视觉的what通路;背侧通路主要涉及枕−顶神经网络, 负责空间位置加工, 又称为视觉的where通路(Piefke et al., 2012)。Vogan等(2014)的fMRI研究发现, ASD青少年在视觉−空间工作记忆的加工过程中, 背侧通路的楔前叶激活异常, 而腹侧通路的梭状回并未发现异常, 这表明 ASD个体的视觉−空间加工在机制上是分离的, where通路的缺陷可能更加严重。

基于正常人的ERP研究证实, 客体工作记忆和空间工作记忆的大脑激活区域和激活时间存在差别。从激活区域来看, 空间工作记忆主要激活右半球相关脑区, 而客体工作记忆主要激活左半球相关脑区。从激活时间来看, 与客体工作记忆相比, 空间工作记忆任务更早诱发出后部脑区的负sp成分(沃建中, 罗良, 林崇德, 吕勇, 2005)。

双分离范式能够证明客体与空间工作记忆的分离。该范式究的一般逻辑是, 实验中有两个主任务：一个为客体工作记忆主任务, 一个为空间工作记忆主任务; 另外还有两个次级干扰任务：一个为客体工作记忆次任务, 一个为空间工作记忆次任务。如果主任务与次级干扰任务之间出现交互作用, 说明视觉−空间工作记忆不是单一的资源系统, 而是包含了涉及客体、空间加工的不同功能成分。若确实存在此种功能分离, 则客体工作记忆主任务更多受到客体工作记忆次任务干扰, 空间工作记忆亦是如此。目前, 许多研究采用此方法在普通人中发现这种双分离效应(罗良, 刘兆敏, 林崇德, 2007; Klauer & Zhao, 2004; McAfoose& Baune, 2009)。

总之, 客体与空间工作记忆系统存在分离,人对这两类任务的信息加工方式和内在机制存在差异, 不能简单用视觉空间模板来概括。目前已初步证实 ASD者两个视觉通路的神经发育水平可能存在差异, 但ASD个体的客体与空间工作记忆分离是否与普通人遵循同样的规律, 还应采用双分离范式、事件相关电位等不同方法系统地进行研究。了解ASD个体视觉−空间工作记忆的双分离加工机制, 将有利于建立更有针对性的认知和药理学干预模式, 以及神经发育失调易损区域定位的进一步细化。

5.3 在干预手段上, 开发个性化的视觉−空间工作记忆训练模式

工作记忆训练, 是指在一段相对集中的时间内, 采用一系列预先设定的计算机任务, 对被试进行适应性的工作记忆操作训练。所谓适应性,是指训练内容由易到难, 由简到繁, 根据受训练者的实际情况而循序渐进, 最终达到提升和优化的目的。训练内容主要涵盖记忆策略和记忆过程两方面。记忆策略训练着重于练习使用各种记忆技巧, 合理分配心理资源; 记忆过程训练则着重于内隐的认知加工过程, 如扩展记忆容量和加强信息刷新能力等(赵鑫, 周仁来, 2010; 刘春雷,周仁来, 2012)。

工作记忆训练起始于特殊儿童的研究, 为改善特殊儿童在日常生活中表现出的认知问题提供支持。目前, 工作记忆训练在ADHD群体认知干预中应用最为广泛, 不仅涵盖言语、视空间等多领域, 而且涉及到儿童、青少年、成人多个年龄阶段。这些训练不仅能够提升ADHD者的工作记忆能力, 而且迁移到其他认知领域, 如持续注意、抑制控制、动机管理、流体智力、学习能力等, 具有良好的干预效果(Gray et al., 2012; Hovik,Aarlien, Saunes, & Egeland, 2010; Mawjee, Woltering,& Tannock, 2015)。

孤独症谱系障碍者存在不同程度的认知失调,研究发现, ASD儿童的认知功能是发展的, 具有可塑性。近年来, 工作记忆训练开始应用于 ASD的干预。de Vries, Prins, Schmand和Geurts (2015)使用“布莱恩大脑游戏(Braingame Brian)”对 ASD儿童进行视觉−空间工作记忆训练。训练包含 25个单元, 儿童每周连续训练5天, 每天完成1个单元, 约45分钟, 整个训练周期为5～6周。训练效果的评估不仅包括工作记忆能力, 还远迁移到持续注意、认知灵活性、抑制控制能力, 以及父母评价的日常执行功能、社会行为等。研究结果显示, ASD儿童经过训练后工作记忆能力得以提高,但其他执行功能和在日常生活中的表现均没有明显改善, 训练模式仍有待改进。虽然如此, 这项研究首次将工作记忆训练用于ASD群体的干预, 具有开拓性的意义。未来研究应结合ASD儿童的认知特点, 选择容易理解、操作简单的范式, 以持续注意、认知转换等训练辅助, 设置符合儿童兴趣特点的情境, 开发更具针对性、可操作性和生态性的干预模式。

此外, 工作记忆训练能够改善相关的神经系统功能, 如相关脑区出现激活模式改变、皮层厚度改变、白质连通性增加等。Schneiders, Opitz,Krick和Mecklinger (2011)采用视觉和听觉的N-back任务进行工作记忆训练, 发现与听觉相比, 视觉工作记忆训练效果更见成效, 且伴随适应性的右侧额中回激活减弱。针对孤独症的工作记忆训练兼具认知症状缓解和脑机能康复的干预价值, 视觉−空间工作记忆不受语言能力的限制, 尤为适合ASD儿童。在系统了解ASD群体大脑发育模式和阶段特征的基础上, 结合神经影像学技术,开发分年龄段的视觉−空间工作记忆训练, 有针对性、分阶段地强化认知神经功能, 或可成为实现ASD个体早期脑功能开发与重塑的重要手段。

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