动作电子游戏玩家工作记忆优势的跨系统一致性：一项近红外研究 *

郭文欣 张 微 李雨茜

(1 华中师范大学心理学院暨青少年网络心理与行为教育部重点实验室，武汉 430079)(2 武汉市洪山区第三小学，武汉 430072)

1 引言

动作电子游戏(action video game, AVG)因能满足受众的精神娱乐需求，获得了人们的喜爱。截至2022 上半年，全球AVG 玩家的游戏时长较去年增加了14%，中国玩家以每周超过12 小时的游戏时长位居第一(Limelight Networks, 2021)。AVG 的流行率引起了人们的忧虑，曾被视为“电子海洛因”。人们认为AVG 会导致物质成瘾，对人的身心健康、学业成绩等方面造成危害(van Rooij et al.,2014)。然而近些年来这一观点有所转变，AVG 以其画面复杂多样、节奏快等特点，对玩家的记忆力、注意力、感知能力等具有较好的训练效果(Green & Bavelier, 2012)，越来越多的研究者开始关注AVG 的积极方面。

Kowal 等人(2018)利用相关任务测试玩家的认知功能，发现其在处理速度、任务转换等方面显著优于非玩家。Sungur 和Boduroglu(2012)也发现玩家具有更大的注意广度和更高的空间表征分辨率。AVG 不仅能显著提高个体的整体认知能力，对于工作记忆、注意力、处理速度等特定认知功能也有不同幅度的提升作用(Wang et al., 2016)，训练效果甚至比其他专门的认知训练游戏更好(Perrot et al., 2019)。前人研究已经证明AVG 可能与认知功能相关脑区的可塑性具有明显关联，尤其是对工作记忆相关脑区存在积极影响(Nikolaidis et al.,2014)。因为AVG 对个体资源分配能力、决策能力的高要求，AVG 玩家可能有较高的工作记忆能力(Spence & Feng, 2010)。

工作记忆指短时间内维护和操纵信息的容量有限的存储系统(Baddeley, 2002)，是AVG 研究领域关注的焦点。Cardoso-Leite 等人(2016) 与Colzato 等人(2013)都在工作记忆任务中发现玩家的正确率更高、反应时更短。AVG 的效果具有普适性，即能迁移到其他复杂的操作任务中，而工作记忆几乎可以运用于任何复杂的认知任务(Oei &Patterson, 2013)，因此无论任务复杂程度如何，这种迁移都主要依赖于工作记忆的参与，说明玩家的工作记忆在AVG 中得到了最广泛的锻炼(Spence &Feng, 2010)。

工作记忆主要包括言语工作记忆和视觉空间工作记忆两大系统。根据Baddeley 和Hitch(1974)的工作记忆模型，这两个子系统分别负责不同性质材料的记忆任务，且彼此间相互独立。AVG 玩家的工作记忆优势在两个子系统上的表现值得探讨。AVG 要求玩家注意屏幕上同时出现的多个刺激并给予操作反应，刺激以视觉输入为主，该特点增强了以空间注意力为首的一系列视觉技能，而空间注意力又与视觉工作记忆显著相关(Awh et al., 2006)，因而AVG 对玩家的视觉工作记忆能力有更高的要求(Green & Bavelier, 2003)。以往研究也多强调AVG 对空间认知能力的改善作用(Hubert-Wallander et al., 2011; Spence & Feng, 2010)，认为对言语认知的影响较小(Bediou et al., 2018; Sala et al., 2018)。

然而，也有研究者指出，AVG 训练并不局限于训练本身，其真正的作用是增强个体学习新任务的能力(Bavelier et al., 2012; Green & Bavelier,2012)，加快对新任务的学习速度，借此广泛提高在认知领域的任务表现(Zhang et al., 2021)，据此，合理推测玩家的两种工作记忆子系统都能得到提高。例如在言语工作记忆方面，有研究发现阅读障碍儿童在接受AVG 训练12 小时后阅读能力明显提高(Franceschini et al., 2017)。目前虽然已有研究认为玩家的言语工作记忆和视觉工作记忆都较非玩家更好，但由于实验材料选择不同导致结果存在部分差异，两种子系统的优势是否一致尚不明确，且目前鲜有研究同时对玩家的言语工作记忆和视觉空间工作记忆优势进行对比探查。基于此，本研究将同时呈现空间材料和言语材料，只通过改变指导语来考察被试的两种工作记忆。

目前，多数研究关注AVG 玩家的工作记忆优势，而没有进一步明确优势体现在哪个工作记忆子领域，其生理基础也不甚明确，玩家的工作记忆优势值得进一步探索。AVG 经验与负责工作记忆的中央执行网络的功能整合有关(Gong et al.,2016)，说明玩家负责工作记忆的脑区的生理机制可能与非玩家有所不同，因此有必要采用认知神经科学技术对AVG 玩家的相关生理机制进行深入探查。功能性近红外光学成像技术(functional nearinfrared spectroscopy, fNIRS)可通过近红外光测量在皮层表面发生的血流动力学反应(Villringer &Chance, 1997)，相比于其他脑科学仪器，它具有成本低、非侵入性、便捷安全等优点，适用于对工作记忆生理机制的探查。前额叶是与工作记忆相关的重要脑区(Tanida et al., 2012)，fNIRS 已成功应用于监控任务期间前额叶活动的变化(Sato et al.,2013)，且根据以往研究发现记忆负荷也会对被试的脑激活和任务表现造成影响(Lucas et al., 2020;Molteni et al., 2008)。因此，本研究将利用fNIRS 测量被试在执行工作记忆任务期间的神经激活情况，使用n-back 范式，设计0、2 两个负荷水平，采用空间和言语材料，深层次地探讨AVG 玩家的工作记忆优势及其脑基础。

2 研究方法

2.1 被试

在武汉市某高校通过发放问卷的方式招募297 人填写游戏经历问卷、游戏成瘾问卷、抑郁自评量表、焦虑自评量表，以排除游戏成瘾或有抑郁、焦虑问题的个体。经筛查后共有49 人参与实验。剔除正确率低于平均值三个标准差的无效数据后，获得有效被试47 名。根据被试填写的游戏经历问卷，参考Richlan 等人(2018) 的定义：AVG 玩家定义为在过去半年内，每周玩动作类电子游戏至少5 小时；非AVG 玩家在过去半年内完全不玩或几乎不玩动作类电子游戏。筛得玩家25 名，非玩家22 名。被试平均年龄21.66±2.26岁，组间年龄差异不显著[t(45)=1.24,p=0.22]。两组被试视力或矫正视力正常，右利手，无色弱色盲及精神疾病史。被试均签署了知情同意书，在实验完成后得到被试费。

2.2 实验设计

采用2(组别：玩家、非玩家)×2(材料类型：空间、言语)×2(负荷水平：0、2)混合实验设计，其中被试组别为组间变量，材料类型和负荷水平为组内变量。行为学的因变量是反应时、正确率和效率，其中，效率=(正确率/反应时)×1000。考虑到追求更高的正确率的个体需要更长的反应时间，因此可能在速度和正确率之间进行权衡(Meule,2017)，本研究增加了效率作为反应时和正确率的综合指标，更为全面地考察被试的任务表现(Chen &Li, 2022; Pelegrina et al., 2015)。该指标已在大量nback 任务相关的研究中得到广泛运用(杨静 等,2021; Lin et al., 2020; Ruocco & Wonders, 2013;Schecklmann et al., 2013; Taurisano et al., 2016)。因为氧合血红蛋白(oxygenated hemoglobin, HbO)对刺激的变化更加敏感、具有更高的信噪比(Cui et al.,2011)，所以将HbO 作为近红外中的因变量指标，用β 值表示。

2.3 实验刺激

实验刺激通过E-Prime 2.0 编写，在台式电脑上呈现(分辨率1920×1080 像素，刷新频率为60 Hz)。刺激材料呈现背景为黑色，屏幕中心呈现白色注视点或刺激。实验刺激材料是5 个英文字母的大写和小写形式，避免了形态相似的字母同时入选(陈一凡, 2018)，也尽量减少被试在字母匹配中依据字母的构型特征做出判断。实验刺激呈现在屏幕上10 个可能的位置之一，因为位置存在语言习惯编码（例如8 个或12 个位置），10 个位置减少了语言编码的影响。被试距离屏幕约60 cm。

2.4 实验程序

实验开始前，首先告知被试近红外对于人体无任何负面作用，佩戴近红外帽并检测信号质量达标后开始实验。

实验采用经典的n-back 任务，要求被试判断当前出现的刺激是否与刺激系列中当前刺激之前的倒数n 个项目匹配，当n=0 时，要求被试比较当前刺激和第一个刺激是否一致；当n=2 时，要求被试比较当前刺激和它倒数第二个刺激是否一致。相同则按键“Q”，不同则按键“P”。在每个试次中，屏幕上同时呈现注视点“+”和刺激材料300 ms，随后刺激消失，仅保留注视点，当被试做出反应或达到3000 ms 最大呈现时间后，进行下一试次。实验任务分为空间匹配任务和言语匹配任务。空间任务时，被试需要对字母位置作比较，而不用管两者是否为同一个字母；言语任务时，被试需要对字母本身进行比较，而不用管两者呈现位置如何，被试被告知不要区分同一字母的大写和小写形式，这样是为了鼓励被试将字母刺激编码为口头音素，而不是视觉字母形式(图1A 以2-back 为例)。

图1 实验流程图

实验分为空间0-back、空间2-back、言语0-back 和言语2-back 四种条件。练习阶段每个条件练习一次，正确率均需达到80%才能开始正式实验。正式实验共8 个组块，每种条件包含2 个组块。顺序如图1B 所示。刺激随机呈现，匹配刺激和不匹配刺激呈现数目的比例为1∶2。

2.5 实验仪器及通道布置

近红外仪器为深圳瀚翔生物医疗电子股份有限公司代理的美国NIRX 厂家生产的NIRSout 连续波台式近红外脑功能成像系统(NIRx Medical Technologies, USA)，根据修正的Beer-Lambert 定律得到HbO 相对浓度变化，单位为mmol。该成像系统以7.81 Hz 的采样率测量了近红外光在两个波长(785 nm 和830 nm)的吸收。

采用厂家自带的前额叶模板，包括8 个光源和7 个探测器，形成20 个通道。具体的通道布局如图2 所示。光源和探测器距离为3 cm。探头的布置参考10-20 脑电系统，将帽子中线与CZ-OZ 线重合，并使用3D 定位仪通过概率配准的方法把每一个fNIRS 通道的位置与MNI 空间坐标进行配准，确定每个通道的位置，获得与布鲁德曼分区的对应关系。

图2 fNIRS 通道布局图

2.6 数据处理

行为实验数据使用SPSS22.0 对正确率和反应时进行方差分析。近红外数据首先使用nirsLAB v201904(NIRx Medical Technologies LLC)进行预处理，仅保留正式实验开始前10 s 和实验结束后10 s之间的数据，消除不连续性和尖峰，所有通道均经过0.01～0.20 Hz 的带通滤波去除基线漂移和生理噪声，基于修正的Beer-Lambert 定律计算HbO的变化。针对每个通道的分析，首先从被试内SPM(statistical parametric mapping) 中提取代表HbO 水平的β 值。使用SPSS22.0 对导出的HbO 的β 值进行方差分析。

3 结果

3.1 行为结果

描述统计结果如表1 所示。

表1 两组被试不同任务的反应时和正确率(M±SD)

图3 行为结果图

在正确率上，负荷水平主效应显著[F(1, 45)=0-back 的正确率显著高于2-back，说明实验设计成功。组别主效应[F(1, 45)=0.06,p=0.81]、组别与材料类型交互作用[F(1, 45)=1.99,p=0.17]、组别与负荷交互作用[F(1, 45)=0.11,p=0.74]及三项交互作用[F(1, 45)=0.81,p=0.37]均不显著。

在效率上，组别主效应显著[F(1, 45)=5.36,玩家的效率显著高于非玩家(见图3C)。材料类型主效应显著[F(1, 45)=45.12,空间任务的效率显著高于言语任务；负荷水平主效应显著[F(1, 45)=240.58,0-back 的效率显著高于2-back，说明实验设计成功。组别与材料类型交互作用[F(1, 45)=2.11,p=0.15]、组别与负荷交互作用[F(1,45)=0.78,p=0.38] 及三项交互作用均不显著[F(1,45)=0.04,p=0.85]。

3.2 近红外结果

3.2.1 空间工作记忆

在通道4 发现组别主效应显著[F(1, 45)=4.07,玩家的激活显著小于非玩家(见图4)。在通道5 发现负荷主效应显著[F(1, 45)=5.10,被试在2-back 条件下的激活显著大于0-back 条件下的激活。其他通道各主效应及各项交互作用均不显著。

图4 空间工作记忆任务近红外结果

3.2.2 言语工作记忆

首先，在通道4 发现组别主效应显著[F(1,玩家的激活显著小于非玩家(见图5)；负荷主效应边缘显著[F(1, 45)=3.38,被试在2-back 条件下的激活大于0-back 条件下的激活。其次，在通道10 发现组别和负荷的交互效应边缘显著[F(1, 45)=3.29,p=(见图6)，简单效应分析显示，非玩家在2-back 条件下的激活显著大于0-back 条件玩家在两负荷下的激活不存在显著差异[F(1, 45)=0.26,p=0.62]。最后，在通道和通道发现负荷主效应显著，被试在2-back 条件下的激活显著大于0-back 条件下的激活。其他通道各主效应及各项交互作用均不显著。

图5 言语工作记忆任务近红外结果的组别主效应

图6 言语工作记忆任务近红外结果的交互效应

4 讨论

实验通过空间与言语工作记忆任务结合近红外探讨AVG 玩家的工作记忆特征。行为结果表明，不论是空间还是言语工作记忆任务，在正确率无显著差异的情况下，玩家的反应时均显著快于非玩家，效率均显著高于非玩家，且无组别与工作记忆类型的交互作用，也无三项交互作用，与前人研究一致，说明了玩家在两种工作记忆子系统上的能力都优于非玩家(Waris et al., 2019)。Dye 等人(2009)的元分析显示，玩家的平均反应时比非玩家快12%，且不会产生更多的错误反应，这说明玩电子游戏可以缩短玩家的反应时间，但又不会影响准确性(Bialystok, 2006; Castel et al., 2005)。对于此种优势有许多不同的解释。首先，AVG 需要玩家在对快速移动的视觉刺激进行监控和反应的同时抑制错误反应，这使得玩家能更迅捷地操作键盘，从而表现出更短的反应时(Kowal et al.,2018)。其次，AVG 也对玩家的视觉注意力提出了较高的要求，主要表现在能够提高玩家的编码速度上，玩家能更有效地利用有限的工作记忆容量(Wilms et al., 2013)。另外也有研究者认为玩家的工作记忆优势可能与其对视觉刺激更高的敏感性有关，他们更善于从感官刺激中提取有效信息，更快地做出决策(Appelbaum et al., 2013)。总而言之，玩家的工作记忆存在优势，且该优势具有跨系统一致性。

本研究进一步发现，在2-back 条件下，玩家与非玩家的反应时差异相比于0-back 条件更为显著。McDermott 等人(2014)与Irak 等人(2020)开展了负荷水平影响玩家的工作记忆的研究，不约而同地发现当负荷水平增加时，玩家的任务表现比非玩家更好，与本研究的结果一致。这可能因为玩家在游戏中常年面对复杂的视觉环境，AVG 的特点对各种认知功能提出了较高的要求(Bavelier et al., 2012)，玩家习惯于在认知负荷高的情况下快速处理感官信息并迅速采取行动，因而在负荷更高的2-back 条件下表现出更大的优势。另一方面可能是因为0-back 条件下的任务没有涉及记忆的更新，当n=0 时，被试仅需牢记一个项目，再将当前的每一个刺激与第一个刺激进行对比，不存在记忆的更新；而当n=2 时，被试需要始终在大脑中保持当前项目和前两个项目，随着新刺激的连续出现，大脑中保持的项目需要不断进行更新。0-back 和2-back 条件的认知负载和对信息处理的执行控制要求不同(Colzato et al., 2013)。研究发现nback 任务在测量工作记忆的更新功能上具有较高的效度(Kane et al., 2007)，2-back 条件下的任务主要需要更新能力的参与，因而玩家在高负荷条件下表现更好，说明其具有更强的记忆更新能力。在游戏中，玩家经常需要面对一连串的复杂刺激并快速做出反应，例如射击敌人之后要马上寻找队友的位置，因此要求玩家能够从工作记忆中排除旧的、不重要的信息，保留更多的工作记忆容量更新相关刺激(Colzato et al., 2013)。长期的AVG 经历可能主要增强了玩家信息灵活更新的能力，因而在高负荷要求的2-back 条件下玩家的优势表现得更明显。

近红外结果表明，无论在空间还是言语工作记忆任务中，玩家在通道4 的大脑激活显著低于非玩家。大脑激活低反映较少的认知努力(龚辉 等,2007; Braver et al., 1997; Izzetoglu et al., 2003; Jonides et al., 1997)，说明本研究中玩家仅需较少的认知努力就可以达到与非玩家相同的水平。通道4 对应眶额区，Petrides(2007)发现接触和编码新信息会导致眶额区的活动增加，证明了该区在工作记忆中监控和提取信息的重要性。Barbey 等人(2011)观察到眶额病变的患者在n-back 任务中表现较差，认为眶额可能是执行功能的基础，负责维护、操作和监控工作记忆中的信息。眶额尤其在需要整合两个及以上的认知操作的活动中发挥作用，例如nback 任务。结合本研究在两种工作记忆任务中发现玩家在眶额区的低激活，与行为结果一致说明玩家具有工作记忆优势的跨系统一致性。

此外，在言语工作记忆任务中，在通道10 发现，随着认知负荷的提高，非玩家大脑激活显著增加，而玩家的大脑激活并未随着负荷水平的提高而显著增加，且从脑区激活图可以看出，非玩家在两负荷条件下的激活差异大于玩家，说明玩家能够更好地应对高负荷条件。国内外的研究者采用不同的方法发现了与本研究类似的结论：李嘉莹(2015)利用ERP 技术发现玩家的脑激活在视觉工作记忆任务中不随记忆负荷的增加而发生显著的改变。Moisala 等人(2017)则利用功能性磁共振成像技术发现玩家的游戏分数越高，负荷水平增加对任务表现的影响越小。且随着负荷水平的提高，游戏经验与背外侧前额叶的激活显著相关。Blacke 和Curby(2013)则发现玩家的工作记忆容量更大，其更新能力不受任务难度的限制(Ecker et al., 2010; Redick et al., 2011)。朱一可(2021)通过fNIRS 发现在n-back 任务较高负荷条件中，多动症儿童在部分脑区表现出显著高激活，说明其存在工作记忆更新功能缺陷。而在本研究中，在高负荷条件下玩家在某些脑区激活小于正常组，说明玩家在该脑区存在更新优势。本研究激活脑区的主要功能可能是应对高负荷条件，反映执行功能。Collette 和van der Linden(2002)指出不同的执行过程都可能激活背外侧前额叶，该区在执行功能中具有普遍作用，且更新主要需要中央执行系统的参与(Morris & Jones, 1990)，Braver 等人(1997)则认为在某些任务中对加工资源的需求增加可能导致其他脑区的激活。所以本研究发现的右背外侧前额叶的激活可能反应执行功能的普遍作用。本研究中2-back 条件对加工资源要求更多，因而可能发现右背外侧前额叶的激活。另外，虽然本研究未在空间工作记忆任务中发现组别与负荷的交互作用，但是并没有强有力的证据说明负荷对空间工作记忆没有影响，这可能是负荷水平在难度上的区分还不够大，导致脑激活的差异不够大。通过行为学结果可以发现空间任务的难度对于被试而言是低于言语任务的，所以在空间任务上应对高负荷的能力没能表现出来。

本实验也存在一些局限，即近红外的部分结果是边缘显著，这可能是因为未对游戏类型进行更细致的区分，或是任务难度的区别还不够大。但本研究仍可以作为一种启示性的方向参考，在今后的研究中可以采用有关动作游戏训练的纵向研究来探讨AVG 和玩家工作记忆之间可能存在的因果关系，对AVG 玩家的工作记忆进行更全面的探讨。

5 结论

动作电子游戏玩家存在工作记忆优势，该优势在空间工作记忆和言语工作记忆中具有跨系统一致性。动作电子游戏玩家的工作记忆优势具体表现为能更好地应对高负荷条件，背外侧前额叶可能是玩家应对高负荷条件的优势脑区。