工作记忆对时间加工的影响

DOI: 10.3724/SP.J.1042.2012.01952

工作记忆对时间加工的影响*

毕翠华 黄希庭

(西南大学心理学部, 认知与人格教育部重点实验室, 重庆 400715)

摘 要 非时间信息加工与时间加工的关系是复杂的, 存在双向干扰或单向干扰, 结果的不一致与任务所需的注意资源及工作记忆都有关。工作记忆的中央执行系统在时间加工中起主要作用, 同时进行的非时间任务对中央执行功能的需求越多, 两种任务之间的干扰程度越大。语言环和视空间模板对时间加工的影响与非时间信息的类型有关。工作记忆作为一个整体以工作记忆容量为指标, 计时成绩也表现出与工作记忆容量有关的年龄、智力等方面的差异。时间加工和工作记忆在额叶、顶叶、基底神经节等皮质存在共同的神经机制。未来应该丰富工作记忆的研究内容, 结合时间加工的分段性探讨工作记忆影响时间加工的具体进程及神经机制, 并力求在应用方面取得一定的成果。

关键词 工作记忆; 时间加工; 中央执行系统; 语音环; 视空间模板 分类号

B842

结果发现, 随着记忆负荷的增加, 产生的时间更长, 而与记忆难度相当但不涉及记忆成分的视觉搜索不影响时间估计。后来的研究进一步证明当非时间信息涉及到记忆时, 对记忆信息的积极加工(估计时间的过程中完成记忆搜索任务)而不是消极存储(估计时间的过程中仅存储记忆项目, 计时任务之后再完成记忆搜索任务)影响估计的时间(Fortin & Breton, 1995; Fortin & Rousseau, 1998; Fortin, 1999; Fortin & Couture, 2002; Fortin, Champagne, & Poirier, 2007)。这表明即使非时间任务的难度相同, 如果不涉及工作记忆, 它们也不会影响时间估计, 说明时间加工需要工作记忆的参与。

Brown (2006)总结了已有的研究, 指出单向干扰的研究中, 非时间任务主要包括知觉或知觉—运动任务(例如强度判断、模式识别、追踪任务等), 而双向干扰中非时间任务主要涉及执行水平的加工(例如心理算数、问题解决、阅读理解、推理等)。说明时间信息加工和非时间信息的加工除了共享一般的注意资源, 还竞争工作记忆中某种特殊的认知资源, 相互干扰的程度与非时间任务涉及的具体心理成分有关(Brown, 1997)。扩展的资源分配模型也指出, 时间信息与非时间信息加工共享注意和工作记忆资源, 工作记忆监控和分

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1 引言

预期式时间加工中, 时间估计很容易受到其他因素的影响。根据注意闸门模型, 时间加工器和刺激加工器受到注意“闸门”的调节, 闸门开放的程度与分配到计时任务中的注意资源有关, 计时开始时, 起搏器和开关之间的闸门打开, 脉冲不断进入累加器; 当注意集中于非时间信息时, 闸门关闭, 此时累加的时间信息减少(Zakay & Block, 1997)。注意资源是限的, 人们在同时加工时间和非时间信息时, 非时间任务的难度越大, 占用的注意资源越多, 用于时间加工的注意资源越少, 导致知觉到的时间变短, 变异性也增加(Brown, 2008)。但是大部分研究发现大部分非时间任务都能干扰时间估计, 而时间估计对非时间任务的干扰程度在不同研究中存在不一致。究其原因, 可能与非时间任务的性质有关。例如, Fortin, Rousseau, Bourque和Kirouac (1993)要求被试在估计2秒的时间过程中完成记忆搜索任务,

收稿日期:2012-03-27

* 西南大学211工程国家重点学科建设项目课题 (NSKD11001)和中央高校基本科研业务费专项资金 (SWU1209477)资助。

通讯作者: 黄希庭, E-mail: xthuang@swu.edu.cn

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配不同认知任务所需的资源(Buhusi & Meck, 2009)。

需要指出的是, 注意和工作记忆在时间加工中的作用并不是彼此对立的。注意资源作为一种普遍的通用的心理资源, 时间加工成绩的下降都能够从注意的转移、分配到的注意资源减少来解释, 但是注意在不同的加工阶段是如何影响时间加工过程的, 不同的刺激类型是否对时间加工的影响一致, 双任务中时间估计和非时间信息加工的干扰程度在不同条件下不一致受何种因素影响？计时的注意模型并不能清晰地解释这些问题。因此探讨工作记忆对时间加工的影响不是对“计时受注意资源的影响”这一观点的反驳和挑战, 而是对这一说法的完善, 因为工作记忆是指个体在执行认知任务过程中暂时储存和加工信息的能量有限的系统(Baddeley, 2003), 在本质上是一种容量有限的注意控制系统, 考察它对计时的影响有利于进一步探索工作记忆的不同成分特别是中央执行系统是如何根据注意资源需求的不同, 协调不同任务的资源分配的; 双任务成绩的个体差异是如何体现的。另一方面, 言语等需要工作记忆中语言环参与的非时间信息也影响时间加工, 但这类信息需要的注意资源较少, 因此考察工作记忆对时间加工的影响能够从更广的范围内探讨时间加工的影响因素及本质。注意和工作记忆在时间加工的作用是紧密联接、相互补充的。

2 工作记忆不同成分在时间加工的作用

工作记忆包括一个中央执行系统和两个缓存区即语音环、视觉空间模板。其中, 中央执行系统是工作记忆的核心, 控制信息的编码和决策, 协调子系统的功能; 语音环存储与复述言语信息, 在语言词汇的操作中起作用; 视空间模板用来存储视觉客体和空间信息, 负责产生、操作和保持视觉映象(Baddeley, 2003)。虽然很多研究指出时间加工依赖工作记忆, 但是工作记忆是如何影响计时过程的仍不清楚, 工作记忆的不同成分在时间加工中可能起着不同的作用。 2.1 中央执行系统与时间加工的关系

时间任务和非时间任务之间注意资源的分配与中央执行功能有关。研究者发现被试在估计时间的同时完成心理算数、视觉搜索和旋转追踪(pursuit rotor tracking )任务, 只有心理算数和时

间加工存在相互对称的干扰(Brown, 1997)。从工作记忆的角度来看, 视觉搜索和旋转追踪任务都是在视觉空间模板中加工的, 对中央执行资源的需求较少, 因此不影响时间加工。而心理算数需要语音环和中央执行功能的参与, 中央执行资源的减少造成了心理算数和计时成绩的下降。根据工作记忆的观点, 并非所有的非时间任务都干扰时间加工, 当它们占有中央执行资源时, 减少了用于计时的资源, 将对时间加工产生干扰。

Fortin, Chérif和Neath (2005)指出中央执行系统的各个子功能对时距估计的影响存在着分离。抑制、转换和刷新是三种相对独立的中央执行功能, 这三种功能在时间加工中分别起作用。 2.1.1 抑制与计时

抑制指个体对无关信息和优势反应的积极的压抑过程(罗琳琳, 周晓林, 2004), 是一种内源性性的行为控制, 是工作记忆中央执行系统的基本成分, 几乎所有的执行功能任务都需要抑制成分的参与。一般采用Stroop范式、停止信号任务(stop-signal task)、go/no 任务、反眼动任务(antisaccade task)任务等来测量。在有关中央执行系统的早期研究中, 研究者采用随机生成任务(Random Generation)来测量中央执行功能。依据中央执行功能可分为三种独立的成分, 随机生成任务主要涉及抑制功能。以随机数字生成任务(Random Number Generation task, RNG)为例, 被试在产生数字时, 尽量避免重复同一数字, 避免按照数字顺序(如, 1, 2, 3……, 或3, 2, 1……), 尽量使得每个数字出现的频率相等, 这样被试在产生数字时并非随机, 而是需要抑制一些自动化的优势反应。Brown (2006)在实验中要求被试产生5s的时间, 同时完成一个随机数字生成任务。简单组中数字从1~10, 困难组中数字在34~43之间。被试在5秒的时间内不断地随机报告数字, 以冗余度(redundancy)、RNG指数(RNG index)、额外值(coupon)、重复间隔(repetition gap)四种指标作为随机数字生成任务的成绩。发现相比单任务, 双任务条件下被试报告数字时随机性更大, 单位时间内报告的数字更少; 简单RNG和困难RNG对计时成绩的影响类似, 使得产生的时间更长, 变异性更大。这说明随机数字生成任务和时间加工存在相互干扰, 需要共同的中央执行资源。但是Ogden, Salominaite, Jones, Fisk和Montgomery

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(2011)采用随机字母生成任务(Random Letter Generation task, RLG)作为干扰任务, 发现相比单任务条件, RLG不影响估计的时间, 只是增加了时间估计的变异性; 单任务和双任务条件下, 时间加工也不影响RLG的成绩。两项研究的不一致可能与非时间任务占用的抑制资源的数量有关, 度如何, 高转换组比低转换组复制的时间更短。这表明转换的次数越多, 转换任务占有的注意资源越多, 用于计时任务的资源减少, 使得估计的时间变短。但也有研究发现转换任务不影响时间估计(Fortin, Schweickert, Gaudreault, & Viau-Quesnel, 2010; Ogden et al., 2011)。Ogden等随机字母生成任务是正序的(A, B, C……), 只需要抑制后面的一个字母, 而随机数字生成任务包括正序和倒序(1, 2, 3,……或3, 2, 1……), 需要抑制前面和后面的数字, 阻止被试两种自动化的反应, 使得随机数字生成任务占用的抑制资源比随机字母生成任务更多, 导致计时成绩的下降。非时间任务占有的抑制资源越多, 对时间加工的干扰程度越强。在已有的研究中, 单独考察抑制功能影响时间加工的研究还非常少, 原因可能是双任务条件下, 大部分非时间任务都需要基本的抑制成分的参与, 未把它与转换和刷新功能分离开来单独考察, 而在特殊群体(脑损伤和ADHD患者)中, 抑制功能是非常重要的, 因此今后需采用更多的方法, 在不同的被试群体中进一步探讨抑制对时间加工的影响。 2.1.2 转换与计时

转换能力也是中央执行功能的重要方面, 具体体现为在两任务竞争同一认知资源条件下, 对其相互转换的控制过程(罗琳琳, 周晓林, 2004)。研究者一般采用任务切换范式来考察转换功能, 即被试先执行一种任务, 然后完成另一项任务, 相比无转换任务的控制组, 转换任务中被试的反应时变长, 转换和不转换条件的反应时之差即为转换代价。通常采用的任务有加法—减法转换任务(plus-minus task)、数字—字母转换任务(number-letter task)、数字转换任务(more-odd shifting task)以及局部－整体转换任务(local- global task) (赵鑫, 周仁来, 2011)。Zakay和Block (2004)在12s的时间内要求被试完成色词Stroop任务, 线索呈现时, 被试再现这段时间。采用2(任务难度：简单和困难)×2(转换类型：低和高)的实验设计, 简单任务中控制刺激的另一属性, 只完成颜色(单词固定)或单词(颜色固定)的命名, 困难任务中被试需同时注意单词的颜色和语义; 低转换组中, 一个trail有一次转换(例, 色－色－色－词－词－词), 高转换组中, 一个trail包含三次转换(例如, 色－词－词－色－色－词)。发现无论任务难

(2011)要求被试产生2s的时间, 期间完成数字加减转换任务。数字加减转换任务分为三组, 加法组要求被试对呈现的数字做加3运算, 减法组要求被试对呈现的数字做减3运算, 加减组要求被试对呈现的第一个数字加3, 第二个数字减3, 依次循环, 最终计算加减转换组与无转换组(加法组和减法组的平均值)的时间差。结果发现转换任务不影响估计时间的平均值, 但是增加了估计时间的变异性; 时间估计也不影响转换任务的成绩。几项研究之间的差异可能与转换任务的类型有关, 一方面, Zakay和Block (2004)中的目标时间较长, 而其他两项研究(Fortin et al., 2010; Ogden et al., 2011)的目标时间仅为2秒, 大概以3秒为界, 短时间和长时间具有不同的加工机制, 长时间的加工更容易受到注意、记忆负荷等认知控制资源的影响(尹华站, 李丹, 黄希庭, 2011; 尹华站, 黄希庭, 李丹, 苏琴, 李波, 2012)。另一方面, Zakay和Block (2004)中Stroop任务为同一刺激的两个属性特征(单词的名称和颜色)之间的干扰, 任务的认知负荷较高, 需要抑制和转换资源的共同参与, 因此导致非时间任务干扰时间加工, 而其他研究中非时间任务主要涉及转换功能。这说明, 转换过程对时间加工的影响较小, 但当加工任务的难度增加或者需计时的时间更长, 需要转换功能的非时间任务对时间加工的干扰程度也增加。 2.1.3 刷新与计时

刷新指根据新呈现的信息不断更改工作记忆内容的过程, 是中央执行功能的重要组成部分(罗琳琳, 周晓林, 2004)。典型的实验范式有跟踪任务(Keep track task)、字母/数字活动记忆任务(letter/number memory task)和n-back范式(赵鑫, 周仁来, 2011)。刷新与时间加工的关系得到了很多研究者的关注, Brown (2006)指出, 有意识、有目的的预期式时间加工需要对信息进行连续的监测和刷新, 这就把时间认知和执行功能连接起来。Ogden等(2011)要求被试在估计2秒的时间时, 完成连续减7任务(serial subtraction of sevens,

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SSS)。具体程序为, 屏幕中随机出一个三位数(385或368), 被试看到数字就连续地作“减7”运算。SSS要求被试既要记住先前的计算结果, 又要完成下一个运算, 这能有效地考察中央执行系统中的刷新功能。结果发现双任务中, SSS任务的正确率下降; 产生的时距更长, 变异性更大, 说明时间加工和SSS任务存在相互干扰。Ivry和Spencer (2004)指出, 工作记忆刷新数量的变化可作为主观时间的测量指标, 工作记忆刷新的量越多, 知觉到的时间越长, 注意能够调节刷新的阈限。如果注意用于时间加工, 阈值降低, 刷新的时间信息量增加; 反之, 阈值提高, 刷新的时间信息量减少。刷新与时间加工的关系尤为密切, 人类的计时过程主要是对工作记忆信息不断刷新, 逐步累加和计数的结果, 未来更多采用研究刷新功能的方法, 考察时间加工的机制, 能够取得更有价值的成果。

2.1.4 中央执行系统各成分与计时关系的比较

中央执行系统对时间加工的影响是复杂的, 不同任务中每个子成分所起的作用不一样。Carelli, Forman和Mäntylä (2008)指出, 转换比刷新和抑制任务需要更少的执行资源。Ogden等 (2011)同时比较了抑制、转换和刷新对计时的影响, 结果表明刷新对时间加工的影响最大。但是中央执行系统作为一个整体, 每种成分并非独立地起作用。例如, Dutke (2005)发现涉及刷新功能的协调任务(coordinative demands)和顺序任务(sequential demands)对时间估计的影响不同, 前者对时间加工的干扰更大。协调任务中要求被试判断一组数字 (10个两位数)中的目标数字(16, 38, 67)是否是第三次出现, 如果第一或第二次出现就按“no”, 如果第三次出现就按“yes”, 目标数字第三次出现后, 下次再出现时就重新计为“第一次出现”。低协调任务目标数字仅为一个(16), 高协调任务目标数字为三个(16, 38, 67), 呈现40组数字后要求被试复制这段时间。实验中被试需要不断地记忆每个序列组中各目标数字出现的次数, 涉及到每个目标信息的更新, 而且每个目标数字与按键反应一一对应, 对一个目标作出反应的同时需要抑制其他反应, 这又需要抑制成分的参与。结果发现协调任务占有中央执行资源越多, 复制的时间越不准确, 表现为高协调任务比低协调任务复制的时间更短, 误差更大。而连续任务

只是操作目标数字出现的高低频率(40组数字中目标数字包括14个或27个), 每组数字呈现前出现目标数字, 要求被试判断该数字第几次出现, 该任务中目标数字多, 刷新的信息多, 但是被试并非同时监控几个目标数字, 因此对中央执行资源的总需求相对较少, 对计时的干扰也小。这些研究说明, 虽然不同任务条件下, 每个成分的作用不同, 但是中央执行系统作为一个多维度的复杂结构, 三个子成分—转换、刷新、抑制之间仍有中等程度的相关, 并非完全独立(Miyake, Friedman, Emerson, Witzki, & Howerter, 2000), 在探讨它们对时间加工的影响时, 也应该依据实验任务及其需求资源的特殊性具体分析。 2.2 语音环参与时间加工

语音环由两个次级系统构成, 一个是接收并暂时保存语音或言语信息的语音存储器(phonological store), 通常采用无关言语来干扰语音存储器中的信息(例如记忆任务中向被试呈现不同的言语或声音信息)。另一个是发声环(articulatory loop), 功能之一是通过默读复述刷新存储器中的信息, 使之保持起来, 功能之二是通过默声命名记忆视觉刺激, 通常采用的干扰发声环的方法是发音抑制(articulatory suppression), 即在完成记忆任务中, 要求被试不断地发音, 例如“the, the, the……”或者按顺序数数。Wearden和Culpin (1995)指出时间估计的准确性受到发音抑制的影响。Franssen, Vandierendonck和van Hiel (2006)用听觉呈现短的空时距(400~2000 ms)和长的空时距(2000~4000 ms), 非时间信息为发音抑制(连续地说‘‘de, de de……”)或无关言语(irrelevant speech condition：录音带以正常的语速播放BBC新闻), 发现相比单任务, 发音抑制条件下复制的时间更长, 误差更大, 而无关言语对时间估计无影响; 改变长时距(3200~4800 ms)条件下, 仍发现无关音调(irrelevant tones)、无关言语(irrelevant speech)和无关乐曲(irrelevant music)等不同形式的无关言语材料在估计时间的平均值和错误率上与单任务的计时仍没有差异。这表明对语音信息的积极加工(发音抑制)干扰了时间信息的编码和存储, 而仅仅接受无关言语对时间加工的影响较小。被试在估计时间的同时, 仅仅发出一些单词(发音抑制), 这一简单的非时间任务需要的注意资源是很少的, 如果干扰是由注意资源

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的有限性造成的, 非时间任务占用注意应该导致时间的缩短, 但是结果却是发音抑制增加了估计的时间。因此发音抑制对计时的影响不可能是由注意资源有限性造成的。这说明语音环中的积极加工成分(发声环)参与了时间加工, 导致估计的时间不准确。

2.3 视空间模板与时间加工有关

视空间模板负责存储与处理视觉图像和空间信息。以视觉图像(心理旋转、图形判断等)为记忆材料时, 需记忆信息的数量越多, 产生的时间更长, 表明涉及视觉空间模板的非时间信息干扰了时间估计(Fortin & Breton,1995; Rammsayer & Ulrich, 2005)。Rattat (2010)探讨了工作记忆的不同子系统在编码阶段对计时的影响, 被试在单任务和双任务条件下复制6s或12s的时间, 采用视觉或听觉两种通道呈现时间, 非时间任务为数字记忆任务(被试观看连续呈现的几个数字, 然后大声重复这些数字的顺序)和视空间记忆任务(在计时阶段连续呈现三个不同位置的空正方形, 然后再现它们出现的顺序)。这样双任务条件包括四种, 视觉计时/视空记忆、视觉计时/数字记忆、听觉计时/视空记忆和听觉计时/数字记忆。发现双任务条件下, 虽然非时间任务都干扰了计时的准确性, 但是视觉计时仅降低了视觉空间记忆任务的成绩, 听觉计时仅造成数字记忆成绩的下降。表明视空记忆任务与视觉计时竞争视空间模板中的资源, 数字记忆任务与听觉计时竞争语音环资源。这与最近的一项研究结果一致(Rattat & Picard, 2012)。Rattat和Picard (2012)采用S1-S2延迟匹配的范式, 要求被试判断毫秒范围内的比较时间与标准时间哪个更长或更短, 期间呈现8秒的延迟时间, 此时被试完成发音抑制或图形追踪任务, 结果发现发音抑制降低了听觉时间的敏感性, 而视空追踪任务降低了视觉时间辨别的敏感性。这些研究说明时间加工需要语音环和视觉空间模板两个子系统的参与, 两个子系统的参与程度与计时的通道有关, 视觉计时主要由视觉空间模板参与, 听觉计时与语音环的联系更紧密。

工作记忆的三个系统都与时间加工有关, 其中中央执行系统协调多种任务之间的注意资源的分配, 它对计时的影响最大。被试完成与时间信息加工有关的双任务时, 几乎都需要中央执行资源, 但是很难确定某种任务只涉及中央执行系统,

例如心理算数需要中央执行资源, 但数字的运算和存储也需要语音环的参与。非时间任务占用语音环或视空间模板时, 导致估计的时间更不准确, 但这两个子系统是直接参与时间加工还是受到中央执行系统的控制间接影响时间加工, 至今并不清楚。可以认为工作记忆的三个子系统并非孤立地影响时间加工, 只是说某种非时间任务对工作记忆某种成分的需求越多, 它对计时的干扰更大。

3 作为整体的工作记忆对时间加工的

影响

工作记忆容量(memory working capacity, WMC), 指个体在对信息进行加工的同时能够保持的信息量, 它能综合反映工作记忆的储存能力、加工效率以及控制注意的能力。工作记忆容量不仅涉及记忆, 还与认知控制有关(McCabe, Roediger, McDaniel, Balota, & Hambrick, 2010)。由于工作记忆容量的不同, 工作记忆对计时的影响还表现出年龄、智力等方面的差异。 3.1 工作记忆容量

工作记忆容量的大小影响任务的注意控制, 在单任务以及认知负荷低的双任务中, 高WMC的个体能监控时间的流逝, 抑制无关信息的干扰, 估计的时间更准确(Dutke, 2005; Baudouin, Vannest, Isingrini, & Pouthas, 2006; Block, Hancock, & Zakay, 2010)。Ulbrich, Chuzan, Fink和Wittmann (2007)发现, 高WMC的被试比低WMC的被试复制的时间更长, 但是在3秒以内, 工作记忆容量的差异对时间估计的影响很小。在基于时间的前瞻性记忆任务中, 当非时间任务是主要的认知任务时, 高WMC的个体更可能因为优先注意主要任务而减少对次要任务的注意, 此时高WMC在次要任务中的成绩更差。例如, Woehrle和Magliano (2012)用OSPAN (Operation Span)测量被试的工作记忆容量(被试在解决数学问题时记忆字母, 以记忆的字母数量为指标), 根据中值分数把被试分为高WMC和低WMC。主要任务为被试判断一位数(低难度)或两位数(高难度)的减法运算是否正确, 次要任务为每隔2分钟或4分钟按一次键。发现时间为 4分钟时, 高容量组比低容量组完成的数学运算更准确, 运算量越多; 低容量组的被试在计算任务中的成绩逐渐下降,

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注意转移到时间任务, 估计的时间更长。这表明高WMC的被试有更多的心理资源, 抑制能力强, 能够集中注意完成目标任务。从注意控制和工作记忆容量的角度解释时间加工中的个体差异更有实效性。 3.2 年龄差异

相比青年人, 儿童和老年人在时间加工和工作记忆任务中的成绩相对较差。5岁组比8岁组儿童复制的时间更短, 变异性更大(Rattat, 2010), Zélanti和Droit-Volet (2011)采用两分法要求被试辨别0.5/1s, 1.25/2.5s,4/8s和15/30 s之间的时间, 发现相比长时间, 儿童对短时间的辨别更准确, 原因可能是长时距比短时距的加工需要的认知资源更多, 但在儿童群体中, 与执行功能有关的前额发育不完善, 注意资源不足, 也难以维持注意的集中, 因此计时中出现了与时间范围有关的年龄效应。其他研究者也发现双任务条件下老年人的计时成绩下降(Baudouin, Vannest, Pouthas, & Isingrini, 2006)。例如Baudouin, Vannest, Isingrini和Pouthas (2006)用N-back 任务测量中央执行功能, 字母广度测验和计算任务考察存储的容量, 要求被试在单任务和双任务条件下(被试在编码和复制阶段口头报告呈现的数字是奇数还是偶数)复制3s, 8s 或14s的时间, 结果发现单任务中老年人比年轻人复制的时间短, 双任务条件下复制的时间更长。两者的原因是不同的, 前者是因为老年人工作记忆的存储容量减少, 容易流失更多的时间信息, 因此低估时间; 双任务需要被试有足够的注意和工作记忆资源来分配注意和协调任务, 而老年人的加工资源减少, 他们需要更多的时间同时完成两种任务, 因此复制的时间变长。这些研究表明, 单任务中, 时间加工中的年龄差异与注意和工作记忆的容量有关, 双任务中的年龄差异是工作记忆特别是中央执行功能不足造成的。儿童的工作记忆容量不足, 注意不集中, 双任务协调功能发展不完善; 随着数数能力提高, 也需要语音环参与视觉计时。老年人的抑制功能不足, 注意容易分散, 造成时间估计能力的下降。随着年龄增加, 工作记忆的不同子系统具有不同的发展特点, 故计时过程中表现出与工作记忆有关的年龄差异。 3.3 智力

智力与时间辨别力(temporal resolution power)有关, 智力高, 人们更能有效地协调心理资源,

时间辨别力强(Ullén, Forsman, Blom, Karabanov, & Madison, 2008)。Troche和Rammsayer (2009)采用结构方程模型, 发现工作记忆在时间判断和智力之间起着完全中介作用。一般来讲, 被试很容易高估短时间, 低估长时间, 表现出趋中倾向(central tendency), 但是低智力与低工作记忆容量的被试趋中倾向更明显, 即表现出更大的计时误差。例如, Broadway和Engle (2011a, 2011b)要求被试复制500~2500ms之间的时间, 用瑞文推理测验考察被试的智力, 发现低的智力与低WMC的趋中效应比高智力与高WMC更明显, 复制时间的变异性上也大; 液态智力作为协变量时, 工作记忆容量的作用降低, 但仍显著; 智力对时间估计的影响主要体现在短时间(500ms)上, 智商越低, 复制的变异性更大。这表明时间加工受到工作记忆容量和个体智力的影响, 工作记忆容量的影响更大。工作记忆对时间判断的影响是通过对注意的监控, 低WMC比高WMC的个体更容易导致注意的分散, 而智力对计时的影响主要出现在决策阶段, 当估计的时间短时, 智力差的被试难以在当前的目标时间与记忆的时间之间迅速作出恰当的判断, 导致时间知觉的变异性增加。

4 工作记忆和时间加工在神经机制上

的共同点

时间加工与工作记忆不仅具有相同的解剖学结构, 而且具有相同的神经表征, 两者都需要额叶、顶叶的参与。时间加工激活了额叶的一些区域, 这与注意和工作记忆对时间信息的获得、维持和组织等功能有关, 其中背外侧前额皮质(dorsolateral prefrontal cortex)和前运动皮质(premotor cortex)的激活与时距信息的保持、更新有关(Coull, Cheng, & Meck, 2011)。额叶也是工作记忆的主要脑区, 背外侧前额叶与工作记忆的中央执行功能有关(Smith & Jonides, 1999), 中央执行加工是通过前额叶(prefrontal cortex)对皮层下和后部皮层区域的调动、协调和统领实现的。总之, 前额叶整合信息, 抑制提前反应, 负责决策, 参与时间加工与记忆过程(Lewis & Miall, 2006), 是工作记忆和时间加工的共同神经基础。

工作记忆和时间加工都还强调基底神经节(basal ganglia)的作用。基底神经节是前脑中的一组皮质下神经核, 包括尾状核、壳核、苍白球、

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丘脑底核(STN)和中脑黑质。其中, 尾状核、壳核合称为新纹状体。计时系统中, 纹状体—皮质环路中存在起搏—累加器, 基底神经节起到了关键作用。起搏器 (位于黑质)有规则地发射出一定频率的脉冲存储到累加器 (纹状体)中, 脉冲最后到达皮层结构(Buhusi & Meck, 2005)。纹状体的激活与信息的保持有关, 随着知觉时间的增加,它的激活越显著, 其活动在计时结束时达到最大(Matell, CD), CD释放抑制的氨基丁酸(GABAergic)到苍白球(globus pallidus, GP), GP释放抑制的氨基丁酸到丘脑背内侧核(MDN), 这阻止丘脑皮层环路的运行; 刷新信息时, 纹状体激活去抑制的神经单元, 然后进入苍白球, 这开启了丘脑环路并使得丘脑皮层环路存储新的信息, 这样信息不断地得到累加和更新。进入尾状核(caudate nucleus, CD)的多巴胺主要来自腹侧盖区和黑质致密部(ventral Meck, & Nicolelis, 2003)。图1为计时和工作记忆中联接皮质和基底神经节的额叶－纹状体环路图, 表明了时间加工和工作记忆在神经机制上存在共同加工。

图1 计时和工作记忆中联接皮质和基底神经节的额叶－纹状体环路图

(Illustration of frontal-striatal pathways connecting cortical and basal ganglia structures involved in working memory and interval timing.) (资料来源：Lustig, Matell, & Meck, 2005)

皮质－纹状体－丘脑－皮质环路(cortico- striato-thalamo-cortical loop)在时间信息的整合以及工作记忆中起着非常重要的作用(Harrington, Zimbelman, Hinton, & Rao, 2010; Lustig et al., 2005)。工作记忆和时间加工的过程为：刺激呈现时, 激活了前额(prefrontal cortex, PFC)的活动, PFC激活丘脑的背内侧核(medial dorsal MDN)和顶后叶(posterior parietal cortex, PPC), 它们负责信息的保持。基底神经节通过开启或关闭闸门, 调节PFC的存储功能。存储信息时, PFC释放谷氨酰胺(glutaminergic)到尾状核(caudate nucleus,

tegmental area and the substantia nigrapars compacta, VTA/SNC)。

5 小结与展望

近些年研究者越来越关注工作记忆特别是中央执行系统是如何影响时间加工的, 并取得了一些成果。工作记忆是一个复杂的结构, 时间加工容易受到多种因素的影响, 因此工作记忆与时间加工的关系也是错综复杂的。未来的研究还有很多需要深入探讨的问题。

首先, 在研究内容上, 大部分研究主要考察了工作记忆中的重要成分－中央执行系统在时间加工中的作用, 因为它控制和协调注意资源, 协调多种任务的加工, 与计时的关系尤为密切。但是语言环和视空间模板在计时中的作用以及它是如何受到中央执行系统的调节进而影响时间加工

的仍不清楚, 在时间加工的研究中, 系统性地比较工作记忆的三个成分的作用是未来需要考察的一个重要方面。另一方面, 根据刺激材料的类型, 工作记忆可分为言语工作记忆、客体工作记忆和空间工作记忆, 言语工作记忆主要由左半球参与, 空间工作记忆主要由右半球参与, 客体工作记忆需要左右半球的共同参与。研究指出, 枕叶－颞叶－前额叶皮质组成的腹侧通路负责客体工作记忆的加工, 枕叶－顶叶－前额叶皮质组成的背侧通路负责空间工作记忆的加工, 前额叶在客体和空间工作记忆加工中存在分离(Mohr, Goeble, & Linden, 2006; Nee et al., 2012)。不同的工作记忆类型依赖工作记忆不同子系统的资源, 它们对计时的干扰也应该是不同的, 但是至今大部分研究以字母或数字作为记忆材料, 而没有深入考察空间工作记忆和客体工作记忆是如何影响时间估计的, 空间加工与时间加工具有共同的心理表征机制(毕翠华, 黄希庭, 2011), 因此与空间有关的工作记忆材料可能对时间加工的影响更大, 这是未来

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需要研究的一个方向。

其次, 不同的时距对工作负荷的敏感性不同, 时间加工具有分段性(尹华站等, 2011, 2012; Fortin & Couture, 2002), 秒范围内的时间具有自动加工的特点, 而秒以上的时间是受控加工, 非目标任务占用工作记忆资源, 造成计时资源减少, 时间加工的成绩下降。有研究采用时间辨别的方法(实验中相继呈现两个时距, 一个为标准时距, 一个为比较时距, 被试的任务是判断两个时距哪个更长或更短)发现心理算数影响100ms和1000ms的时间知觉(Rammsayer & Ulrich, 2005)。而Rammsayer和Ulrich (2011)发现精细复述(elaborative rehearsal,记住每个呈现的单词)和保持(maintenance,记住最近呈现的以字母“B”开头的单词)不影响毫秒内计时的变异性和敏感性, 精细复述只干扰秒以上的计时成绩。不同研究的差异与非时间任务对中央执行功能的依赖程度有关, 积极加工占用中央执行资源, 而消极保持主要涉及工作记忆的存储功能, 对中央执行功能的需求较少, 因此积极加工非时间信息对计时的干扰更大(Field & Groeger, 2004; Fortin et al., 2007)。也有研究者指出, 毫秒时间范围内, 工作记忆的内容通过自上而下的方式影响注意, 记忆的信息增强了大脑的神经活动, 神经活动越强, 知觉到的时间越长(Eagleman & Pariyadath, 2009; Pan & Luo, 2012)。毫秒和秒以上的时间加工采用的方法不同, 非时间任务的类型及实验要求不同, 导致不同研究的结果不一致, 未来需在不同时间范围内, 控制非时间任务的类型, 借助EEG、ERP、FMRI等技术手段探讨工作记忆影响计时的时间进程及神经机制。

最后, 已有的研究大多数采用普通的正常人为被试考察工作记忆在时间加工中的作用, 对特殊群体的关注程度还不够。我国是世界上老年痴呆患者基数最多的国家, 但是患者家属不能区分正常老化造成的记忆损害与痴呆造成的记忆障碍之间的区别, 当发现记忆有明显障碍时, 痴呆程度可能已经到达中期, 因此开发早期痴呆的临床诊断标准很重要。老年痴呆患者早期的主要症状是记忆受损, 工作记忆受损与时间估计成绩的下降密切相关(Papagno, Allegra, & Cardaci, 2004; Elvevǎg, Brown, McCormack, Vousden, & Goldberg, 2004)。当前主要的诊断工具为神经心理量表和仪

器诊断, 缺乏对认知功能评定的有效指标。估计时间的能力能有效地探测被试的认知水平, 因此结合工作记忆的不同子系统对时间加工的影响, 探讨老年痴呆患者时间加工的特点, 进而考察他们的认知水平, 能够为老年痴呆患者的早期诊断提供科学的指标。

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The Influence of Working Memory on Time Information Processing Bi Cui-Hua; HUANG Xi-Ting (Faculty of Psychology, Southwest University, Key Laboratory of Cognition and Personality, Ministry of Education, Chongqing 400715, China) Abstract: There is complex relationship which is either bidirectional or unidirectional interference between time estimation and nontemporal information processing. Different results are related to attention and working memory resources required by distinct tasks. The central executive component of working memory is mainly recruited during timing that the more nontemporal task requires central executive resources, the greater bidirectional interferences become. Phonological loop and visuospatial sketchpad, demanded by different type of distractive tasks are also involved in time estimation. Working memory capacity is an index reflecting personally whole working memory ability, thus timing is affected by other factors-related to working memory capacity such as age, intelligence as well. Timing and working memory rely on the same neural representation such as frontal cortex, parietal cortex, and basal ganglia. The future research should enrich contents of working memory, integrate subsections of temporal processing to explore the time course and neural mechanism of working memory affecting timing, and strive to seek application value in this field. Key words: working memory; time information processing; central executive system; phonological loop;

visuospatial sketchpad