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工作记忆的理论模型

前言： 工作记忆是当前神经科学和心理学领域的研究热点。我将会写一系列的文章跟大家分享一下当前的研究现状以及个人的一些思考。今天先简单介绍一下其心理学的理论模型。

工作记忆( working memory) 是指个体在执行认知任务中, 对信息暂时储存与操作的能力。工作记忆的概念是1960 年 Miller 等人在他们的著作《行为的计划与结构》一书中首次提出的[1, 2]。他们发明这个词汇的目的是为了方便将思维研究与电脑的理论进行比较。1968 年, Atkinson 和Shiffrin开始在心理学的研究中使用工作记忆这个概念, 用它解释他们所提出的模块模型（modal model）中的短时记忆理论[3]。这就是为什么我们现在所说的工作记忆之前会被称为short-term store、short-term memory、primary memory、immediate memory、operant memory和provisional memory等概念的原因。

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1971年，Fuster和Kubota分别独立报道了工作记忆产生于前额叶神经元的持续性放电活动 [4, 5]，开启了研究工作记忆细胞机制的序幕。1974年，Baddeley和Hitch在模拟短时记忆障碍的实验基础上提出了工作记忆的三系统概念[6]，突出了工作记忆对信息的监控、加工和保持。从此，工作记忆和短时记忆有了不同的意义。自上世纪80年代以来，在Goldman-Rakic等人的引领下，一大批神经科学家投身于对工作记忆的研究[7]。时至今日，工作记忆被认为是人类高级认知活动的核心基础，已经成为了神经科学界的热点问题之一。

简而言之，工作记忆的研究肇始于心理学，而蓬勃于神经科学。那么，在心理学领域有什么样的理论模型来解释工作记忆呢？

Baddeley的多成分模型

目前最受学术界推崇的便是多成分模型。

图1. Baddeley的三成分工作记忆模型[8]

Baddeley 和Hitch 提出的三成分模型由中央执行系统( Central executive) 、语音回路( Phonological loop) 和视空间模板(Visuo-spatial sketchpad) 三个子系统构成[6]。中央执行系统相当于系统内核，其功能主要包括对工作记忆中各子系统功能的协调、对编码和提取策略的控制、操纵注意系统以及从长时记忆中提取信息[2, 9]。语音回路负责以声音为基础的信息的储存与控制，能通过默读重新激活消退着的语音表征，而且还可以将书面语言转换为语音代码。视空间模板主要负责储存和加工视觉空间信息，可能包含视觉和空间两个分系统。

图2. 三成分模型指导日常活动的假想图

该模型不但解释了许多实验结果，似乎还能解释我们的日常生活中的现象（图2）。因此，一经提出便备受推崇。但是，不可避免的，也存在着以下一些缺陷。

1、各子系统与长时记忆的分离。一个例子是，在随机的单词记忆任务中，被试只能即时回忆出大约5 个单词，但如果根据散文内容进行记忆，则能够回忆出16 个左右的单词[10]。很显然，这多出来的这10 多个项目（item）来自长时记忆。

另外，可参见本人前文中的解释：我们大脑的“缓存”有多大？

2、中央执行系统没有存贮能力。有一些脑损伤患者，他们的智力表现良好，而且中央执行系统也能够正常地工作。他们的延时回忆成绩却非常差，而即时回忆成绩却很好。三成分模型设定其子系统的容量有限，并且中央执行系统没有存贮能力，所以，这不能很好地解释这种现象。

3、语音回路和视空间模板两个不同子系统的分离。许多研究证明，即使是简单的言语单元也都是言语和视觉编码的结合。也就是说，语音回路和视空间模板并不是完全分离的，它们之间的信息在某种水平上存在着相互作用。

图3. Baddeley的四成分工作记忆模型[2]

为了弥补以上的这些缺陷，2000 年，Baddeley 对原本的模型进行了升级[11]。新的模型(图3)增加了一个新的子系统，即情景缓冲区（episodic buffer），并且加入了工作记忆与长时记忆的联系。

情景缓冲区与语音回路、视空间模板并列，受中央执行系统控制，是一个容量有限的存储区。它是一个能用多种维度代码储存信息的系统，为语音回路、视空间模板和长时记忆之间提供了一个暂时整合信息的平台，通过中央执行系统将不同来源的信息整合成完整连贯的情景。虽然不同类型信息的整合本身由中央执行系统完成，但是情景缓冲区能保存其整合结果，并支持后续的整合操作。

新的模型中，视空间模板、情景缓冲器和语音回路这些部分表示流体智力系统；而视觉语义、长时情景记忆和语言这些部分则表示晶体智力系统。通过新的工作记忆模型，我们可以看到：不但流体系统可以影响晶体系统，而且，通过学习的过程，晶体系统也可以间接地对流体系统产生影响，这两者之间是相互作用和影响的。

根据心理学家Cattell提出的智力结构学说[12]，Spearman的一般智力可以分成两种普通因素：流体智力和晶体智力。流体智力包含“推理能力、记忆容量和信息加工速度”等知觉、认知能力和操作技能，与遗传因素(天赋)关系较为密切；晶体智力则包含了将己获得的知识和技能应用到问题解决中的能力，与词汇、数学技能及知识经验关系密切，受后天环境(学习、训练、实践) 的影响作用较大。

因此，四成分工作记忆模型的提出，能更好地解释工作记忆和长时记忆之间的关系。同时，也给人们研究工作记忆能力和智力(流体智力和晶体智力) 之间的关系提供了新的启发。

PS. Baddeley于2011年对他的模型进行了再次升级[13]，这里就不介绍了。