工作記憶和推理

工作記憶和推理

張清芳

1974年，Baddeley和Hitch在模擬短時記憶障礙的實驗基礎上提出了工作記憶的三系統概念，用「工作記憶」代替了原來「短時記憶」的概念。Baddeley[1]認為工作記憶指的是一種系統，它為複雜的任務比如言語理解、學習和推理等提供臨時的儲存空間和加工時所必需的信息，工作記憶系統能同時儲存和加工信息，這和短時記憶概念僅強調儲存功能是不同的。工作記憶分成三個子成分，分別是中樞執行系統、視空初步加工系統和語音環路。大量行為研究和神經心理學的許多證據表明了三個子成分的存在，有關工作記憶的結構和作用形式的認識也在不斷地豐富和完善。人們發現工作記憶與語言理解能力、注意及推理等聯繫緊密。

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工作記憶和推理能力

推理能力與智力有密切的關係，「分析智力」(analyticintelligence)指運用信息推理和解決問題的能力，它不依賴於人們以前的或從學校獲得的知識，這與1963年Cattell所說的「流體智力」(fluid intelligence)相似。實際上，分析智力指的是使思維適應新的認知問題的能力。分析智力測試一般採用的是瑞文漸進推理測驗，因為這個測驗有較高的信度和效度，對個體智力的預測也較好。更為重要的是，有許多理論和研究表明工作記憶在解決推理問題中起著重要的作用，因此有許多研究者利用此測驗研究工作記憶在推理中的作用。

Carpenter,Just和Shell[2]分析了人們解決瑞文漸進推理測驗時的加工過程。結果發現所有和管理子目標的能力。他們根據結果建立了兩個模型：FAIRAVEN和BETTERAVEN，表示在測試中「好」與「極好」之間的差異。兩個模型的差別是：其一，BETTERAVEN有能力比FAIRAVEN產生更多的抽象關係；其二，BETTERAVEN有能力在工作記憶中管理許多個子目標，因而能夠解決更為複雜的問題。Salthouse[3]研究了工作記憶對成人認知推理中被試表現出的共同的加工特徵是一種漸進的編碼策略，唯一不同的是產生抽象關係的數目的年齡上差異的影響。被試年齡從18歲到80歲，一般來說，年輕人的工作記憶能力要好於老年人。在認知任務中工作記憶低水平者表現差，因為他們不能成功地保持信息，正確率也低，而高水平工作記憶者則能保持更多的信息並且對此進行加工，推理出正確的結果，因而正確率高。而且，還發現推理探測再認測試與工作記憶的測量和認知操作都有相關，因此，工作記憶影響推理的方式之一是影響了加工過程中信息的保持，有限的信息保持能力是引起年齡差異的主要原因之一。我們可以把推理測驗的加工過程分成三個步驟：首先，工作記憶要保持信息，決定各單元圖形的相同和不同之處；隨後利用這些信息決定各單元圖形的關係，保持這些信息並將其聯結起來協調各行和各列的關係，決定選擇哪一項。可以看出，在推理中工作記憶不僅保持信息，而且為加工操作提供能量資源。在推理中工作記憶起著重要作用，它是推理的核心。

Larson等人在1988和1989年發現工作記憶和推理存在中等程度的相關(0.30～0.59)。1990年，Kyllonen和Christal對大量新招募的美國空軍飛行員進行了傳統的標準智力測驗的測量（瑞文漸進推理測試），同時也進行了工作記憶測驗，他們發現兩類測驗之間有非常高的相關，但智力測驗更多地傾向於過去的知識，而工作記憶更容易受加工速度的影響。1991年，Christal在工作記憶測量和標準的美國空軍測驗的基礎上，預測新兵學習邏輯門電路(Logic gates)課程的成績。結果發現工作記憶提供了更好的預測，而且工作記憶比傳統的推理測驗（美國空軍測驗）更少受教育和文化的影響。工作記憶中的差異也反映在推理中的性別差異上，Halpern[4]發現男性在視覺空間工作記憶、運動技能、時空反應等能力上優於女性，而女性在運用語言和意義信息的能力上優於男性。Howe等人[5]研究了不同工作記憶能力和記憶負荷的不同對類別包含(class-inclusion)加工的影響，結果發現在兩種條件下推理結果有類似的效應，特別是當記憶負荷增加或工作記憶閱讀廣度降低時，推理策略的複雜性就降低。因此，工作記憶中存在的差異和推理之間的關係似乎對於心理測量有著巨大的應用價值，也許在將來對工作記憶的測量可以代替我們現在所用的智力測驗。

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工作記憶和各類推理的關係

以上的研究結果表明工作記憶和推理有密切的關係，但到底工作記憶的哪些成分在推理中起作用呢？

關於如何解決推理有兩種重要理論[6]：一種是以推理的形式規則為基礎的理論，主張演繹推理是一種類似邏輯證據的語法過程，運用規則從前提表徵中推導出結論。另一種是心理模型理論，認為演繹推理是一種類似搜尋反例的語義過程，它把命題的表徵看成是某種加工的輸入，人們根據這種加工建立起與言語所描述的情境相符合的心理模型。理論方法不同，在解決推理問題中所採用的策略就不同。

根據工作記憶系統的概念，研究工作記憶各成分和推理之間關係一般所採用的是「雙重任務」(dual-task)實驗範式。雙重任務指的是同時進行兩種任務，一個是推理任務，另一個是可以干擾工作記憶各成分的任務，稱之為次級任務(secondary task)。干擾中央執行系統的活動是要求被試隨機產生字母或數字，或者利用聲音吸引被試的注意並做出相應行動；干擾語音環路採取的方法是要求被試不斷地發音，例如the,the……或者按一定順序數數，比如按1,3,6,8順序數數等；對視覺空間初步加工系統干擾任務是持續的空間活動，比如被試不看鍵盤，按一定順序盲打。所有的次級任務都要保證一定的速率和正確率，並且與推理任務同時進行。雙重任務的原理是兩個任務同時競爭同一有限的資源。例如對語音環路的干擾使得推理任務和次級任務同時佔用工作記憶子系統語音環路的有限資源，在這種條件下如果推理的正確率下降，時間延長，我們就可以確定語音環路參與了推理過程。有一系列的研究[7-10]表明次級任務對工作記憶各成分的干擾是有效的。在實驗中，一般會有一個控制組，只進行推理任務，這是為了跟其它三個雙重任務實驗組進行比較。一般測量的實驗指標是推理的正確率和推理的時間。利用這種實驗範式，人們進行了大量的研究工作。下面分五個方面來說明各類推理和工作記憶各成分的關係。

2.1

工作記憶和條件化推理

1981年Evans和Brooks利用雙重任務實驗範式研究了條件化推理中工作記憶的作用，結果發現語音環路和中央執行系統都沒有參與推理過程。他們認為同時進行的記憶負荷任務（干擾中央執行系統）延長了問題解決的時間，但推理問題的難度比較簡單，因此次級任務和推理任務沒有競爭同一有限資源，因而沒有對推理造成影響。Toms,Morris和Ward[11]研究了工作記憶在條件化推理中的作用。結果發現條件化推理需要抽象的工作記憶心理表徵作為中介，而不是影像或言語的表徵。這個過程不需要視空加工系統或者語音環路的參與，只有中央執行系統在起作用。實驗還說明工作記憶資源的運用在決定問題難度時是一個重要因素，不同的問題類型所要利用的工作記憶資源是不同的。Toms等人的實驗中存在一個問題：只檢驗了推理任務結果，被試可能出現次級任務和推理任務之間的權衡。針對這一情況，Klauer等人對條件化推理重新進行了研究。結果發現：中央執行系統肯定參與了推理過程，而語音環路和視覺空間系統較少參與。研究者認為被試在條件化推理中使用的策略是符合心理模型理論，策略不同，對記憶的負荷就不同，運用類似心理模型的策略對視覺空間系統沒有造成負荷，因而視覺空間加工系統沒有參與條件化推理。因此，以上研究表明，在條件化推理中，中央執行系統起著重要作用。

2.2

工作記憶和演繹推理

關於人們如何進行演繹推理仍無一致的結論，有很多人認為工作記憶的負荷是一個重要的因素。Gilhooly,Logie,Wetherick和Wynn[12]研究了演繹推理和工作記憶。實驗一發現呈現句子的方式會影響演繹推理的正確率，在視覺方式下的正確率比聽覺方式時高，這是因為視覺方式對記憶的負荷低於聽覺方式。實驗二採用的是雙重實驗範式和視覺同時呈現句子的條件下，發現當有記憶負荷，即對中央執行系統進行干擾的情況下，演繹推理最容易受到影響和損害，次之是語音環路，視空加工系統最少參與。這表明在演繹推理中的表徵是一種更為抽象的形式，符合推理的心理模型理論，導致了中央執行系統參與了推理活動。有可能語音環路也起了作用，因為與推理任務同時進行的語音活動減慢了，表明兩種任務可能在競爭同一有限資源。在此實驗中，Gilhooly等人發現被試在演繹推理中可能運用一系列的策略，可以根據推理結果來推測被試使用的哪種策略。次級任務不同，被試使用的策略也可能不同，其對記憶的負荷也就不同；增加任務的負荷也會引起策略的變化，因為變化策略後對記憶的負荷也就降低了。1998年Gilhooly等人又用序列視覺呈現句子的方式採用雙重任務實驗範式研究工作記憶各成分和演繹推理的關係。序列呈現句子的方式比同時呈現句子的方式要求更多的儲存空間。結果發現視覺空間系統和語音環路都參與了演繹推理，而且中央執行系統仍然在其中起著重要的作用。從以上結果可以得出結論，無論是序列呈現方式還是同時呈現方式，中央執行系統都參與了演繹推理；當記憶負荷增加時，有可能視覺空間系統和語音環路也參與推理過程。

2.3

工作記憶和線性推理

Vandierendonck等[13]研究了線性推理和工作記憶的關係。在線性推理過程中要區分兩個過程，一是句子的加工過程，二是結果推理過程。首先給被試序列呈現各個前提句。要求被試閱讀和理解句子並保持信息。以前的一些實驗研究[14]表明閱讀簡單的句子不需要語音環路的參與，至少聲音抑制的程度沒有對簡單句子的閱讀產生影響。根據推理的心理模型理論，在加工中要形成句子的一個或多個心理表徵，以此為基礎進行推理。所有的句子呈現完畢後，呈現要求被試回答的問題和選項，這時就進入了結果推理過程，可能工作記憶的三個成分都參與了該過程。在進行推理任務的同時有次級任務分別來干擾推理任務，直至推理任務結束。實驗中採用的線性推理問題有三類，分別是一個、兩個和三個模型問題，要正確的推理必須建立一個、兩個或三個空間模型。比如兩個模型的問題，前提句子有三個：吉它在提琴的右邊；鋼琴在吉它的左邊；吉它在手風琴的左邊。那麼這四種樂器的順序有兩種，為「鋼琴、提琴、吉它、手風琴」或「提琴、鋼琴、吉它、手風琴」。一個模型和三個模型問題與此類似。這三種類型問題的難度依次增大，利用的工作記憶資源也增多。實驗結果：正確率。控制組和三個實驗組都達到了顯著差異，表明三個成分都可能參與了線性推理過程，而且聲音干擾的程度強於視空干擾和中央執行系統干擾。句子的加工時間。從被試閱讀句子的時間來看，只有在視空干擾和中央執行系統干擾條件下的時間顯著長於控制組，而語音干擾組的時間短於控制組。表明聲音的干擾對於被試理解和保持句子信息沒有影響，而視空干擾和中央執行系統干擾對其有很大影響。心理表徵可能是視覺空間編碼形式，有一些研究也表明線性推理中建立的心理表徵是空間形式的模型。中央執行系統可能起著控制過程的作用。推理所要求的模型數目越多，推理難度越大，推理的正確率降低。這說明推理越複雜，對工作記憶的要求越高，推理就差。綜合以上三點，可以得出結論：在句子加工過程中，只有視覺空間系統和中央執行系統參與，語音環路沒有參加，它只是參與了結果推理過程。

2.4

工作記憶和TOL任務

TOL(Tower of London)是用來評價執行功能的任務之一，它是河內塔任務的變式，有初始狀態和目標狀態。要求被試一步步移動盤子，達到目標狀態，這種任務測試的是人的計劃能力。要求被試首先在心裡想移動的步驟，然後儘快執行。在TOL任務中，計劃、保持信息、執行計劃等，都對工作記憶的資源有要求。有許多人認為視覺空間記憶在TOL任務中起著重要作用，因為在任務中要將計劃言語化比較困難，因此人們自然採用了視覺化的方式。Morris[15]等人則堅持認為言語複述參與了TOL任務，他們在病人和正常人腦活動的研究中發現左半球參與了任務，病人的缺陷表現在左額葉，正常人的左半球額葉活動顯著高於右半球額葉，大腦左半球負責語言。由此，他們認為在TOL任務解決中，採取的方式是言語的計劃和複述。Phillps[16]等人利用雙重實驗範式研究了工作記憶在TOL中的作用。結果表明TOL中央執行系統最多地參與了此過程，視覺空間系統處於中間，而語音環路參與最少。

2.5

總結

從以上研究總結出影響實驗結果的因素有：推理任務。記憶負荷。在不同的推理任務中或者不同的記憶負荷下，工作記憶參與推進過程的成分就不一樣，參與的程度也不同。目前研究發現可以改變記憶負荷的方式有：呈現方式，比如聽覺、視覺（同時呈現和序列呈現）對記憶的負荷就不同；次級任務，比如隨機產生和按固定模式產生數字對記憶資源的要求就不同；推理策略，比如邏輯策略和猜測策略對記憶的負荷要求就不同；任務難度，難度不同，要求建立的心理表徵的數目不同，記憶負荷就不同。研究最多的是關於各推理任務對結果的影響，其它因素都有待於進一步研究。

3

神經心理學在工作記憶和推理方面的研究

研究分為兩類：一類是關於病人的研究。對病人的研究發現：額葉受損，推理時的執行功能受到損害。因為推理是一個複雜的過程，在臨床上發現許多不同的病因中也存在推理上的障礙，比如精神分裂症，阿爾采莫氏症等等。關於病人的研究集中在額葉與推理的關係上，許多研究者認為額葉與信息的組織和部署有很大的關係，病人表現出的是執行功能的缺陷。前額葉皮質似乎執行著中央執行器的功能，有一些前額葉受損的病人通常在工作記憶中表現出嚴重的執行功能障礙，比如不能計劃和組織，注意力容易分散，注意力不能轉移等。

另一類是關於正常人的研究。1997年，Gabriei及其同事運用功能性核磁共振成象技術在被試解決瑞文漸進推理測驗時掃描他們的腦區。他們發現額葉、頂葉和顳葉皮層的一些腦區都有活動，可能空間、客體和言語工作記憶引發了許多腦區的活動，似乎推理是工作記憶能力的總和。Wickelgren[17]提到額葉皮質與產生工作記憶有密切關係，工作記憶要求各分散腦區協同工作，對客體、位置或辭彙進行精確的加工。近來又發現前額葉皮質與高級的功能如記憶和學習有關，這個區域不僅在工作記憶中保存信息，而且在高級的推理活動中協調各感覺區域的活動。在推理任務中，需要被試閱讀理解句子並保持信息，要形成心理表徵並進行推理加工，可能需要多個腦區的參與，要確定具體腦區需要更進一步的研究。

綜上所述，工作記憶與推理關係密切，工作記憶在推理中基本上有兩個作用：一是保持信息；二是在工作記憶中形成初步的心理表徵，中央執行系統的表徵形式比兩個子系統更為抽象一些。額葉和前額葉在推理中可能起著重要的作用，工作記憶是推理的核心，推理是工作記憶能力的總和。關於這方面的研究取得了一定的進展，但許多問題尚未清楚且有許多爭論存在，在實驗手段和實驗方法上也還存在許多缺陷。未來的研究應該將行為方面的研究和神經心理方向上的研究結合起來，可能會得到更有意義的結果。

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