車曉瑋 王凱旋 上官夢麒 李壽欣

(山東師范大學(xué)心理學(xué)院，濟(jì)南 250358)

1 引言

現(xiàn)實(shí)生活中，人們經(jīng)常需要在復(fù)雜的視覺環(huán)境中搜索目標(biāo)。完成這類搜索任務(wù)時(shí)，需要將搜索目標(biāo)保存在工作記憶中，以引導(dǎo)隨后的搜索。工作記憶是一個(gè)容量有限的記憶系統(tǒng)，能夠保存和操作用于后續(xù)任務(wù)的相關(guān)信息（Baddeley,2012）。保存在工作記憶中的內(nèi)容能夠引導(dǎo)注意，會使場景中與之匹配的客體獲得競爭優(yōu)勢，從而促進(jìn)匹配客體的知覺加工（Desimone & Duncan,1995）。在視覺工作記憶保持階段插入視覺搜索任務(wù)的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)記憶項(xiàng)與視覺搜索任務(wù)的搜索目標(biāo)相匹配時(shí)，能促進(jìn)目標(biāo)的搜索（Dowd &Mitroff, 2013; Soto, Heinke, Humphreys, & Blanco,2005）。當(dāng)被試完成對記憶項(xiàng)的工作記憶表征之后，如果要求被試再完成視覺搜索任務(wù)，用于隨后的視覺搜索任務(wù)的記憶項(xiàng)目被稱之為注意模板（attentional templates），其他的記憶項(xiàng)目則被稱之為附屬記憶項(xiàng)（accessory memory items）（Olivers,Peters, Houtkamp, & Roelfsema, 2011）；如果要求被試完成再認(rèn)任務(wù)，工作記憶項(xiàng)目則被稱之為普通記憶項(xiàng)（ordinary working memory items）（Gunseli,Meeter, & Olivers, 2014）。不同項(xiàng)目的工作記憶表征機(jī)制不同。

注意模板用于隨后的視覺搜索任務(wù)，位于執(zhí)行加工的焦點(diǎn)，處于激活狀態(tài)，能夠引導(dǎo)注意；附屬記憶項(xiàng)進(jìn)行保存而不用于隨后的視覺搜索任務(wù)，處于附屬狀態(tài)，位于執(zhí)行加工焦點(diǎn)之外，容易受到抑制，不能引導(dǎo)注意（Olivers et al., 2011）。采用功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）技術(shù)進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，在視覺搜索過程中，相對于附屬記憶項(xiàng)，表征注意模板時(shí)能引發(fā)視覺皮層的激活增加，負(fù)責(zé)認(rèn)知控制的前額葉、前部腦島和頂葉的激活也隨之增加。這表明，與附屬記憶項(xiàng)相比，注意模板能夠激活大腦更多區(qū)域，促進(jìn)與之匹配刺激的加工（Peters, Roelfsema, & Goebel, 2012）。另有研究者探討了搜索任務(wù)中注意模板和無關(guān)干擾項(xiàng)在工作記憶存儲過程的表征差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于干擾項(xiàng)，存儲注意模板在枕葉區(qū)表現(xiàn)出更高程度的激活，表明注意模板的表征加工要強(qiáng)于無關(guān)干擾項(xiàng)（Reeder, Olivers, & Pollmann, 2017）。

普通記憶項(xiàng)則用于隨后的再認(rèn)任務(wù)，位于當(dāng)前執(zhí)行加工的焦點(diǎn)，與附屬記憶項(xiàng)不同的是，普通記憶項(xiàng)的加工與當(dāng)前任務(wù)有關(guān)，不需要進(jìn)行抑制。Gunseli，Meeter等人（2014）以反映視覺工作記憶容量的對側(cè)差異波（contralateral delay activity,CDA）和反映視覺工作記憶保持階段資源投入的晚正成分（late positive complex, LPC）為指標(biāo)，探討工作記憶保持階段注意模板與普通記憶項(xiàng)的工作記憶表征機(jī)制，發(fā)現(xiàn)注意模板與普通記憶項(xiàng)誘發(fā)的CDA沒有差異，而注意模板誘發(fā)的LPC高于普通記憶項(xiàng)。這說明，相較于普通記憶項(xiàng)，在視覺工作記憶中存儲注意模板不占用更多的視覺工作記憶容量，但需要投入更多的認(rèn)知資源。van Driel，Gunseli，Meeter和 Olivers（2017）以反映注意主動控制的α功率和反映不同腦區(qū)連通性的α頻段相位變化為指標(biāo)，探討工作記憶保持階段和搜索過程注意模板與普通記憶項(xiàng)的工作記憶表征，研究發(fā)現(xiàn)，在表征注意模板時(shí)α功率強(qiáng)于普通記憶項(xiàng)，并且前額葉與后頂葉的α頻段連通性也強(qiáng)于普通記憶項(xiàng)。這表明，與普通記憶項(xiàng)相比，對注意模板的表征需要更強(qiáng)的注意控制。因此，與普通記憶項(xiàng)相比，表征注意模板需要更多的資源投入與注意控制。

與同處于注意焦點(diǎn)的普通記憶項(xiàng)相比，注意模板表征的腦機(jī)制尚不明確。事件相關(guān)光信號（event-related optical signal, EROS）技術(shù)作為一種非侵入性腦功能成像技術(shù)，既有較高的時(shí)間分辨率（小于100 ms），也有一定的空間分辨率（5～10 mm）（Gratton & Fabiani, 2010），有助于探討在認(rèn)知加工過程中不同腦區(qū)的動態(tài)激活機(jī)制，能夠較為全面地揭示注意模板在不同加工階段的腦區(qū)激活情況。本研究采用EROS技術(shù)，要求被試進(jìn)行視覺工作記憶后分別完成視覺再認(rèn)任務(wù)和視覺搜索任務(wù)，以探討視覺工作記憶中注意模板的表征機(jī)制。由于與普通記憶項(xiàng)相比，注意模板在表征過程中需要更多的注意控制（van Driel et al.,2017），且前額葉對枕葉產(chǎn)生自上而下的調(diào)節(jié)能夠促進(jìn)注意模板的視覺選擇（Bichot, Rossi, &Desimone, 2005），因此，本研究假設(shè)：在注意模板表征過程中，與注意資源投入有關(guān)的前額葉和枕葉激活程度高于普通記憶項(xiàng)，且前額葉激活程度的增強(qiáng)早于枕葉；反之，如果注意模板和普通記憶項(xiàng)的表征需要相同的注意控制，則與普通記憶項(xiàng)相比，注意模板的表征僅誘發(fā)枕葉更多程度的激活。

2 方法

2.1 被試

選取某大學(xué)17名在校大學(xué)生。所有被試均為右利手，視力或矯正視力正常，無色盲色弱情況，無精神疾病史，無腦疾病、腦外傷等，均未參加過類似實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后給予報(bào)酬。實(shí)驗(yàn)過程中，1名被試的數(shù)據(jù)因光學(xué)數(shù)據(jù)不完整被刪除，最終有效被試16名，其中男生5名，年齡21.5±2.92歲。根據(jù)Gunseli，Meeter等人（2014）實(shí)驗(yàn)中不同任務(wù)類型下反應(yīng)時(shí)差異的效果量（η=0.94），采用G*Power 3.1軟件，設(shè)置Power為95%，α水平為0.01，計(jì)算被試樣本量為4。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

采用E-prime 1.1編制實(shí)驗(yàn)程序，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，屏幕分辨率為1024×768像素，刷新率為60 Hz。

視覺工作記憶任務(wù)的記憶項(xiàng)和再認(rèn)任務(wù)的探測項(xiàng)為帶有缺口的紅色方框（0.7°×0.7°, 線粗0.1°），方框缺口分別朝向于上、下、左、右四個(gè)方向。視覺搜索任務(wù)的搜索序列為隨機(jī)呈現(xiàn)在半徑為3°的虛擬圓環(huán)上的6個(gè)帶有缺口的紅色方框。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用檢測任務(wù)類型（再認(rèn)、搜索）單因素被試內(nèi)設(shè)計(jì)。在再認(rèn)任務(wù)中，僅呈現(xiàn)一個(gè)方框，需要被試判斷該方框的缺口朝向與記憶項(xiàng)是否一致；在搜索任務(wù)中，呈現(xiàn)六個(gè)方框，需要被試判斷這六個(gè)方框中是否有與記憶項(xiàng)缺口朝向一致的方框。記錄被試行為反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)、正確率，以及完成任務(wù)過程中的光信號。

2.4 實(shí)驗(yàn)程序

實(shí)驗(yàn)在隔音昏暗的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，被試距離計(jì)算機(jī)屏幕約57 cm。單一試次流程圖見圖1，首先屏幕中央呈現(xiàn)注視點(diǎn)“+”（0.23°×0.23°）800～1200 ms，然后在屏幕中央呈現(xiàn)記憶項(xiàng)100 ms，在900 ms的保持間隔后，呈現(xiàn)檢測任務(wù)。在再認(rèn)任務(wù)中，要求被試判斷出現(xiàn)的方框缺口朝向是否與記憶項(xiàng)一致，若一致則按“1”鍵，若不一致則按“0”鍵。50%的試次中呈現(xiàn)方框和記憶項(xiàng)的缺口朝向一致，50%的試次中呈現(xiàn)方框和記憶項(xiàng)的缺口朝向不一致。在搜索任務(wù)中，要求被試判斷出現(xiàn)的六個(gè)方框是否包含與記憶項(xiàng)缺口朝向一致的方框，若包含則按“1”鍵，若不包含則按“0”鍵。50%的試次中呈現(xiàn)方框包含且僅有一個(gè)方框與記憶項(xiàng)缺口朝向一致，50%的試次中不包含與記憶項(xiàng)缺口朝向一致的方框。要求被試盡量準(zhǔn)確快速地完成反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)分為再認(rèn)任務(wù)和搜索任務(wù)各兩個(gè)Block，每個(gè)Block包括8個(gè)練習(xí)試次和80個(gè)正式實(shí)驗(yàn)試次，Block間順序平衡。每完成1個(gè)Block休息5分鐘，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)約需60分鐘。

圖1 單一試次實(shí)驗(yàn)流程圖

2.5 EROS數(shù)據(jù)采集與分析

光學(xué)數(shù)據(jù)記錄采用ISS Imagent近紅外光譜成像儀（Imagent, ISS, Inc., Champaign, IL, USA），光源為830 nm波長、110 MHz調(diào)制頻率的近紅外光。實(shí)驗(yàn)中于被試頭皮表面放置16個(gè)光源和8個(gè)接收器。

參照以往研究（Whalen, Maclin, Fabiani, &Gratton, 2008），采用兩種光源和接收器的位置排布，一半試次采用圖2A的方式采集數(shù)據(jù)，另一半試次采用圖2B的方式采集數(shù)據(jù)。光源和接收器間距最短約3 cm，接收器和接收器間距最短約3 cm。實(shí)驗(yàn)中光源和接收器的排布方式可以覆蓋長約20 cm、寬約8 cm的區(qū)域，記錄區(qū)域的中心位于被試兩耳上緣連線的中心，實(shí)驗(yàn)采樣率為31.25 Hz。見圖2C。

圖2 實(shí)驗(yàn)中光源和接收器的放置位置圖

通過Fastrak 3D定位儀（Polhemus Fastrak 3Space, Colchester, VT）對3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)（鼻根、左右側(cè)耳前）以及包括光源、接收器和其他面部結(jié)構(gòu)點(diǎn)在內(nèi)的282個(gè)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)采集。用GE Discovery 3.0 T MR磁共振設(shè)備獲取被試的高分辨率腦結(jié)構(gòu)像（矩陣 256×256, TR=8.2 ms, TE=3.2 ms, 層厚1.2 mm）。在進(jìn)行MRI掃描時(shí)，分別在被試鼻根、左右側(cè)耳前放置維生素E藥丸，以幫助將采集到的3D定位數(shù)據(jù)和被試腦結(jié)構(gòu)像進(jìn)行匹配（Gratton & Fabiani, 2010）。

EROS數(shù)據(jù)分析采用Matlab p_pod工具包和Opt_3D軟件進(jìn)行。首先，采用p_pod工具包對光學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：（1）對數(shù)據(jù)進(jìn)行相位校正、去除脈沖偽跡、15 Hz低通濾波；（2）對記憶項(xiàng)出現(xiàn)前192 ms到記憶項(xiàng)出現(xiàn)后992 ms的光信號進(jìn)行分段；（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件、行為數(shù)據(jù)采集的時(shí)間點(diǎn)、光源和接收器建立的通路對數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加平均。其次，依據(jù)3D定位和MRI采集的共同基準(zhǔn)點(diǎn)，將通過Fastrak 3D定位儀采集的三維坐標(biāo)和MRI結(jié)構(gòu)像配準(zhǔn)，建立被試的頭骨模型，采用最小二乘擬合程序?qū)δＰ瓦M(jìn)行調(diào)整，使誤差低于5 mm，將光源和接收器位置的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為適合進(jìn)行群組水平分析的Talairach坐標(biāo)。最后，采用Opt_3D軟件將平均后的光學(xué)數(shù)據(jù)與大腦通路位置結(jié)合形成不同條件下腦區(qū)激活差異圖：（1）剔除光源與接收器距離小于15 mm或大于75 mm的通道信號；（2）采用8 mm高斯濾波對數(shù)據(jù)進(jìn)行空間平滑化處理；（3）將各被試在每一體素的信號進(jìn)行t檢驗(yàn)，對再認(rèn)任務(wù)和搜索任務(wù)下腦區(qū)的激活進(jìn)行差異分析，并轉(zhuǎn)化為Z分?jǐn)?shù)，生成兩類任務(wù)條件下的腦區(qū)橫斷面激活差異圖；（4）根據(jù)以往研究（Mathewson et al., 2014）選擇前額興趣區(qū)（左額中回,x: -20 ～-50,y: 5 ～ 35,z: 10 ～ 40; 右額中回,x: 20 ～ 50,y: 5 ～35,z: 10 ～ 40）和枕葉興趣區(qū)（左枕中回,x: -31 ～-1,y: -69 ～ -99,z: -35 ～ -5; 右枕中回,x: 4 ～ 34,y:-69 ～ -99,z: -35 ～ -5），對再認(rèn)任務(wù)和搜索任務(wù)條件下激活差異顯著（p＜0.05）的腦區(qū)進(jìn)行多重比較校正（Gratton et al., 2006），校正后的Z值見表1。

3 結(jié)果

3.1 行為結(jié)果

對行為實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)時(shí)小于150 ms的試次進(jìn)行剔除（剔除試次數(shù)1.50%），同時(shí)剔除超出平均值2.5倍標(biāo)準(zhǔn)差的試次數(shù)據(jù)，總剔除試次數(shù)占比2.71%。對被試在再認(rèn)任務(wù)和搜索任務(wù)下的正確率和反應(yīng)時(shí)分別進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果見圖3，再認(rèn)任務(wù)的正確率（97.85%±1.86%）高于搜索任務(wù)（91.54%±4.11%），t(15)=9.00，p＜0.001，Cohen'sd=0.60；再認(rèn)任務(wù)的反應(yīng)時(shí)（574±117 ms）短于搜索任務(wù)（1205±137 ms），t(15)=15.33，p＜0.001，Cohen'sd=3.20。

表1 兩種任務(wù)條件下存在激活差異的腦區(qū)

圖3 再認(rèn)任務(wù)和搜索任務(wù)的正確率和反應(yīng)時(shí)

3.2 EROS結(jié)果

對正確反應(yīng)試次的光學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，在視覺工作記憶中記憶項(xiàng)出現(xiàn)后0～96 ms，搜索任務(wù)下前額葉的激活程度高于再認(rèn)任務(wù)，見圖4；當(dāng)視覺工作記憶中記憶項(xiàng)消失后，在224～256 ms、288～320 ms、608～672 ms、768～800 ms，搜索任務(wù)條件下前額葉的激活程度高于再認(rèn)任務(wù)；在288～320 ms、384～448 ms、832～864 ms，搜索任務(wù)下枕葉的激活程度高于再認(rèn)任務(wù)，見圖5。

圖4 記憶項(xiàng)呈現(xiàn)時(shí)，搜索任務(wù)與再認(rèn)任務(wù)腦區(qū)激活的差異圖

圖5 記憶項(xiàng)消失后，搜索任務(wù)與再認(rèn)任務(wù)腦區(qū)激活的差異圖

4 討論

采用EROS技術(shù)，要求被試在記憶項(xiàng)目后，分別完成視覺再認(rèn)和視覺搜索任務(wù)，探討視覺工作記憶中注意模板的表征機(jī)制。行為結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與視覺再認(rèn)任務(wù)相比，被試完成視覺搜索任務(wù)的正確率更低、反應(yīng)時(shí)更長。這一結(jié)果與Gunseli，Meeter等人（2014）研究結(jié)果一致，表明完成視覺搜索任務(wù)比完成視覺再認(rèn)任務(wù)更難。EROS結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與普通記憶項(xiàng)相比，表征注意模板時(shí)，前額葉和枕葉的激活程度更高；在腦區(qū)激活的時(shí)間進(jìn)程上，前額葉的激活也早于枕葉。

4.1 工作記憶編碼階段注意模板和普通記憶項(xiàng)的表征差異

在工作記憶編碼階段，表征注意模板和普通記憶項(xiàng)在前額葉出現(xiàn)了激活差異，這與van Driel等人（2017）采用EEG技術(shù)研究的結(jié)果一致，即表征注意模板時(shí)前額-頂葉電極點(diǎn)α頻段連通性強(qiáng)于普通記憶項(xiàng)。在視覺工作記憶表征過程中，前額葉主要用于編碼包括任務(wù)要求在內(nèi)的相關(guān)信息的表征，這些任務(wù)信息的表征用于指導(dǎo)視覺刺激表征的創(chuàng)建和保存（D'Esposito & Postle, 2015;Sreenivasan, Curtis, & D'Esposito, 2014）。在完成視覺搜索任務(wù)時(shí)，被試需要在眾多干擾刺激中尋找目標(biāo)項(xiàng)；而完成再認(rèn)任務(wù)時(shí)，被試只需要將工作記憶表征項(xiàng)目與檢測項(xiàng)目進(jìn)行比較。因此，與再認(rèn)任務(wù)相比，視覺搜索任務(wù)的難度更大。而對任務(wù)難度預(yù)期的變化，使得注意模板和普通記憶項(xiàng)的表征要求在工作記憶編碼階段有所不同（Gunseli,Olivers, & Meeter, 2014）。與普通記憶項(xiàng)相比，表征注意模板對注意控制和記憶加工的要求增加，導(dǎo)致負(fù)責(zé)這一功能的前額葉腦區(qū)激活增加，以投入更多的注意控制資源，從而促進(jìn)對注意模板的加工。

4.2 工作記憶保持階段注意模板和普通記憶項(xiàng)的表征差異

在工作記憶保持階段，注意模板表征時(shí)的枕葉激活高于普通記憶項(xiàng)，這與van Driel等人（2017）采用EEG技術(shù)研究的結(jié)果一致，即表征注意模板時(shí)枕葉電極點(diǎn)α功率強(qiáng)于普通記憶項(xiàng)。枕葉主要與視覺信息的加工有關(guān)，視覺工作記憶表征過程往往伴隨著枕葉視知覺皮層的激活（Ester, Serences,& Awh, 2009; Harrison & Tong, 2009），其反映了工作記憶過程中的知覺或注意需求（Mitchell& Cusack, 2008）。在視覺工作記憶保持過程中，對于較為復(fù)雜的視覺信息，需要對記憶項(xiàng)不斷進(jìn)行復(fù)述，防止產(chǎn)生遺忘，這一過程也會激活初級視覺皮層（Ester, Anderson, Serences, & Awh,2013）。與再認(rèn)任務(wù)相比，被試完成搜索任務(wù)時(shí)需要從眾多的干擾項(xiàng)中找到與注意模板匹配的目標(biāo)。因此，注意模板表征需要更為精確，這增加了知覺加工需求，使枕葉的激活增加；同時(shí)，也需要對注意模板的表征進(jìn)行更主動的復(fù)述，也使枕葉的激活增加。這一結(jié)果支持工作記憶的感覺占用假設(shè)（Pasternak & Greenlee, 2005），即視覺工作記憶中信息的存儲占用感覺加工的通道。

研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，與普通記憶項(xiàng)相比，工作記憶保持階段注意模板的表征在前額葉出現(xiàn)更高程度的激活，且前額葉激活程度的增強(qiáng)早于枕葉。前額-頂葉網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是具有最高整體連通性的腦區(qū)，會隨著任務(wù)需求的變化改變與其他腦區(qū)的功能聯(lián)系，使得認(rèn)知任務(wù)能夠順利進(jìn)行（Xu,2017）。而且前額葉神經(jīng)元具有混合選擇性，能對不同神經(jīng)元表征的信息進(jìn)行整合。與感覺皮層相比，前額葉的神經(jīng)元具有更高的時(shí)間尺度，使得前額葉能夠有效追蹤感覺刺激的變化，提高信息表征的穩(wěn)定性（Morcos & Harvey, 2016; Murray et al.,2014）。Feredoes，Heinen，Weiskopf，Ruff和Driver（2011）在視覺工作記憶保持階段對前額葉施加經(jīng)顱磁（transcranial magnetic stimulation,TMS）刺激，提高前額葉的激活，發(fā)現(xiàn)當(dāng)存在干擾項(xiàng)時(shí)，負(fù)責(zé)加工任務(wù)相關(guān)信息的視覺皮層激活提高，說明前額葉自上而下地調(diào)節(jié)視覺皮層的活動。視覺信息在大腦中的表征是一個(gè)動態(tài)的過程（Stokes, 2015），在不同的時(shí)間點(diǎn)，信息的表征狀態(tài)不同（Buonomano & Maass, 2009）。在本研究中，當(dāng)要求被試完成視覺搜索任務(wù)時(shí)，需要注意模板對隨后的視覺搜索任務(wù)產(chǎn)生引導(dǎo)，而在視覺記憶項(xiàng)消失后，注意模板仍需要維持較為激活的表征狀態(tài)。因此，與普通記憶項(xiàng)相比，注意模板的表征可能需要前額葉不斷追蹤感覺刺激的變化，并依據(jù)這一變化向低級視皮層（枕葉）發(fā)送反饋信息，以調(diào)整枕葉對注意模板的復(fù)述，促進(jìn)對注意模板的保持。

綜上，在進(jìn)行工作記憶編碼時(shí)，與普通記憶項(xiàng)相比，對注意模板的表征主要表現(xiàn)為前額葉注意控制的增強(qiáng)，而在工作記憶保持階段，對注意模板的表征表現(xiàn)為枕葉復(fù)述加工的增強(qiáng)，這一過程可能受到前額葉的認(rèn)知調(diào)控。

5 結(jié)論

在完成視覺工作記憶表征后，再進(jìn)行視覺搜索任務(wù)或者再認(rèn)任務(wù)，與普通記憶項(xiàng)相比，注意模板表征的潛在機(jī)制可能是：先激活前額葉以增強(qiáng)注意控制，并對枕葉的活動加以調(diào)節(jié)，增強(qiáng)注意模板表征的復(fù)述。