【大腦S02E07】你是怎麼分心的? 先聽聽記憶如何多工處理

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一心二用對你來說是簡單還是困難呢?有些人可以很輕易的多工處理,有些人卻需要非常專心才能完成任務。開車時,車上的導航軟體廣播,和副駕駛的人工指路,如何抉擇,就考驗到你的工作記憶囉……(Pixabay)
一心二用對你來說是簡單還是困難呢?有些人可以很輕易的多工處理,有些人卻需要非常專心才能完成任務。開車時,車上的導航軟體廣播,和副駕駛的人工指路,如何抉擇,就考驗到你的工作記憶囉……(Pixabay)

假設你在開車去朋友家的路上,車上的路況廣播告訴你應該要走哪一條路才不會塞車,同時副駕駛座上的朋友則跟你說,應該要「前面先左轉再右轉」才對。這兩項語音資訊都進入了語音迴路(phonological loop)中,然後中央執行系統操控注意力,決定忽略廣播,採用朋友的說法。於是,「前面先左轉再右轉」這句話就被進入了「語音迴路」中,然後你的腦中就開始不斷覆述這個句子。

於此同時,你的腦中浮現了該如何開到朋友家的路線圖。這個路線圖基本上就是從長期記憶中叫出來的地圖,加上朋友的指示,然後在「視覺空間模板」中暫時形成了一幅心像。

【大腦S02E07】你是怎麼分心的? 聽聽記憶如何多工處理

各位聽眾朋友大家好,歡迎收聽鏡好聽製作播出的大腦好好玩,我是節目主持人謝伯讓,用科學故事,讓腦說話。」

在前兩週的節目中,我們知道記憶可以簡單區分成3種,就是感官記憶、短期記憶和長期記憶。我們也已經介紹過其中兩種,也就是感官記憶和短期記憶。那在我們介紹第3種記憶、也就是長期記憶之前,我們先來反思一下,上週介紹過的短期記憶,它到底在我們的認知活動中扮演了什麼角色?它的功能到底是什麼?

在短期記憶的早期理論模型以及相關研究中,大家其實非常強調短期記憶的「儲存」功能。比方說,我們上週介紹過的一些短期記憶實驗,幾乎都是在研究短期記憶究竟能夠儲存「多少」資訊,還有能夠儲存「多久」資訊。

但是,早期這些只強調「儲存功能」的理論和研究,明顯忽略了一項我們每個人每天都會用到的短期記憶功能,就是多工處理的能力(multitasking)。

所謂的多工處理能力,也就是俗稱的「一心二用」,比方說,大家在聽節目的同時,可能正在開車。或是當大家在聽演講或看電視時,有時候如果覺得資訊量太低,就可能會開手機同時吸收其他資訊。這種能力就是所謂的多工處理能力。

很明顯的,如果要發展出一個完善合理的短期記憶理論,就不能只看短期記憶的儲存功能,而是必須還要能解釋短期記憶的多工處理能力才行。

工作記憶:你腦內多工運作的3個模組

有鑑於此,英國的心理學家Alan Baddeley就針對短期記憶提出了一個擴充修正版的理論,我們現在稱之為工作記憶理論(working memory model)。在這個理論中,Alan Baddeley把短期記憶改名為工作記憶。

從結構上來看,他強調短期記憶裡應該可以再區分出好幾個模組,而在功能上,他認為 工作記憶除了可以儲存資訊,還可以對資訊進行操弄並且具有選擇和執行能力。

比方說,Alan Baddeley認為,工作記憶中最重要的3個模組,就是「中央執行功能」、「語音迴路」(phonological loop)和「視覺空間模板」(visuospatial sketch pad)。

好,我們先看看「語音迴路」(phonological loop)。「語音迴路」,就是我們可以儲存和運算語音訊息的一個模組。它可以用語音的方式來短暫儲存資訊,然後可以透過不斷的覆誦,來讓資訊在腦中維持更長的時間。

至於視覺空間模板(visuospatial sketch pad),可能就有點類似電腦中的顯示卡,它可以幫助我們形成心像(mental images)。比方說,當我們在判斷一個物體旋轉90度後會變什麼樣子時候,應該就會使用到視覺空間模板。或是當你從家裡出發,然後開始想像要怎麼走到最近的公車站時,也都會用到視覺空間模板。

至於中央執行模組,則可以操控注意力,來對上面這兩種周圍模組中的資訊進行選擇,然後還會參考長期記憶中的內容,最後再做出整合判斷。

舉例來說,假設你在開車去朋友家的路上,車上的路況廣播告訴你應該要走哪一條路才不會塞車,同時副駕駛座上的朋友則跟你說,應該要「前面先左轉再右轉」才對。這兩項語音資訊都進入了語音迴路(phonological loop)中,然後中央執行系統操控注意力,決定忽略廣播,採用朋友的說法。於是,「前面先左轉再右轉」這句話就被進入了「語音迴路」中,然後你的腦中就開始不斷覆述這個句子。

於此同時,你的腦中浮現了該如何開到朋友家的路線圖。這個路線圖基本上就是從長期記憶中叫出來的地圖,加上朋友的指示,然後在「視覺空間模板」中暫時形成了一幅心像。

Alan Baddeley的工作記憶理論架構,還有它大致上的運作形式就是如此。但是,理論歸理論,有沒有什麼證據、可以支持工作記憶理論中提到的這些模組真的存在呢?

實驗驗證:工作模組真的存在嗎?

首先,我們就來看看3種可以支持語音迴路存在的現象。第1個現象,就是「語音相似效應」(phonological similarity effect)。這個效應我們之前曾經介紹過,證據來自1964年的一項研究。就是實驗人員給受試者在螢幕上觀看一個字串,比方說GRCFND,然後接著就要回憶出這個字串。

結果發現,受試者在記憶字串時最常犯的錯誤,通常是「語音轉換」上的錯誤,例如會把GRCFND記成GRCSND,也就是把F記成聲音上很像的S,但是卻幾乎不會把F記成形狀上很像的E。

由於這個實驗中受試者犯的錯幾乎都是語音上的錯誤,因此合理的推論就是,受試者在記憶時,應該是使用了語音迴路,也因為如此,才容易出現語音上的混淆。

第2個支持語音迴路存在的現象,就是「語詞長度效應」(word length effect)。語詞長度效應,就是當語詞的長度比較長的時候,通常會比較難記住。比方說,如果我要你現在去記10個單字。如果這10個字,每個字都是都是單音節,那就會比較容易暫時記住,比方說,水、火、車、狗、貓、風、電、樹、馬、人。但是如果這10個字每個都是雙音節或多音節,就會比較難記,比方說,開水、烈火、汽車、黑狗、小貓、颱風、雷電、老樹、斑馬、路人。而其中的可能原因之一,就是因為和單音節的語詞相比,每個多音節的語詞會佔用掉比較多的語音迴路資源,所以總體來說,最後能暫時記住的多音節語詞就比較少。

第3個支持語音迴路存在的現象就是,透過發音抑制的方法,剛剛提到的這個「語詞長度效應」就會減弱。也就是說,我們剛剛講的「語詞長度效應」如果真的是因為多音節的語詞佔用掉比較多的語音迴路資源而導致的結果的話,我們如果強制去消耗掉受試者的語音迴路資源,那麼剛剛兩個情境的記憶表現應該會變得一樣糟才對。

為了驗證這個可能性,Alan Baddeley要求受試者在背誦兩個情境時,嘴巴必須不斷地唸出一些無意義的音,比方說「the、the、the、the …」的音。結果我們可以看到,原本嘴巴不用強制發出聲時,長單字的情境二比較難記住,但是被要求強制發出聲音時,兩個情境就都變得一樣難記。因此Alan Baddeley推論,「語詞長度效應」應該是使用了語音迴路沒錯。

旋轉你的心靈想像:空間模板

好,在看完了語音迴路之後,我們來看看有什麼現象或證據可以支持視覺空間模板的存在。

關於視覺空間模板的研究,最知名的應該就是史丹佛大學的Roger Shepard所做的心像旋轉研究(mental rotation)。Roger Shepard是George Miller的博士後學生(George Miller就是我們剛剛講過,提出magic number 7+-2的那位美國心理學家)。Shepard在1970年代進行了一系列的實驗,顯示出人們在比較三維物體時,應該是透過心像旋轉在進行運算。

比方說,在典型的智力測驗題目當中,常常會看到判斷兩個觀看角度不同的物體是否是同一個物體。Shepard發現,受試者解題的時候,似乎都是透過在心中以想像旋轉物體來解題,這就是所謂的心像旋轉,mental rotation。

除了受試者主觀回報他們是使用心像旋轉在解題之外,Shepard也發現了客觀證據。他發現,當兩個物體在空間上相差的旋轉角度越大時,受試者的反應時間就越慢。比方說,平均而言,如果兩個物體相差的旋轉角度是40度,那受試者大約需要2秒來判斷,如果是相差140度,則大概要花4秒來判斷。這種角度差異越大、反應時間就越長的線性關係,可能表示受試者是真的在使用心像旋轉來解題。

長期記憶溝通中樞站:中央執行系統和情境緩衝區

至於中央執行系統,基本上它是一個用來協調整合資訊,並且能夠操控注意力以方便我們選擇資訊的機制。在2000年,Alan Baddeley還提出了更新版的理論模型,它在其中加入了「情境緩衝區」模組(episodic buffer)。之所以要增加這個模組,是因為他注意到,有些狀況下,光是靠語音迴路、視覺空間模板以及中央執行系統,仍然稍嫌不足。

比方說,我們在閱讀的時候,每一個文字的理解都會牽涉到大量的記憶提取,而光是上述3個模組,似乎不足以應付。也因此,他就提出了「情境緩衝區」的模組。

Baddeley主張,情境緩衝區的功能,就是用來增強和長期記憶之間的溝通,還可以讓暫存記憶容量增加,並且有助於各種資訊的整合。

以上就是Alan Braddeley的工作記憶理論。接下來,我們再來看看工作記憶與大腦之間的關係。

工作記憶如何在大腦裡運作?

從目前的研究結果看來,和工作記憶最相關的腦區之一,應該就是前額葉。因為我們在一些腦傷的研究中發現,當前額葉受損時,病人會出現一些特徵,這些特徵看起來就彷彿是他們失去了工作記憶而無法靈活應變一樣。

比方說,前額葉受損的病人,常常會出現行為上的僵固性,典型的特徵,就是當他們的某一個行為無法成功達成目標時,他們仍然會一直堅持,然後一路錯下去。

類似的現象也出現在靈長類動物身上。例如有實驗發現,當猴子或黑猩猩的前額葉受損或被手術切除後,牠們常常會無法完成簡單的記憶作業。

比方說,如果在他們眼前擺兩個箱子,然後把食物放在右邊的箱子中,並拉上屏幕。當屏幕再打開時,他們常常就已經忘了食物剛剛放在哪裡。

此外,神經電生理實驗也發現,前額葉中的神經元似乎可以在眼前的事物消失後,仍然短暫的負責維持訊息。比方說,在一項實驗中,實驗人員訓練猴子在看到目標物出現在視野中時,要先維持眼睛不動,然後等目標物消失後一段時間後,等提示音出現時,才能移動眼睛去看像剛剛目標物的位置。

然後實驗人員猴子進行這個作業時,測量了猴子前額葉中的神經細胞活動。

結果發現,當猴子眼前出現目標物的時候,有一些神經元會先出現短暫的活躍,然後就安靜,但是當目標物消失、然後猴子在等待準備移動眼睛的時候,這些神經元變得非常的活躍。然後接下來,在猴子移動眼睛看向剛剛目標物的位置之後,這些神經元就不再活躍了。

這個結果顯示出,這些神經細胞可能就是負責維持訊息的神經元之一。當目標物從眼前消失之後,可能就是靠這種神經元的持續反應,才能把資訊暫時留在腦中。

好,不過大家要注意的是,與工作記憶有關的神經元,其實並不是只出現在前額葉,有好幾項實驗發現,與工作記憶有關的神經元也出現在枕頁中的初始視覺皮質,還有顳葉和頂葉。

腦造影的文獻回顧研究也在人類身上發現,工作記憶除了和額葉以及頂葉的相關性很高,其實和其他的腦葉和腦區也有相關。所以說,工作記憶涉及的腦區,可能相當廣泛,而不是只涉及額葉而已。

短期記憶理論的修正與反思

以上,就關於短期記憶的反思。在今天的節目中,我們學到了英國心理學家對於Alan Baddeley對於短期記憶的修正理論,他認為,短期記憶除了負責儲存資訊之外,應該還負責了資訊的操弄、資訊的選擇,還有動作的執行、以及多工處理等能力。

也因此,Alan Baddeley就把「短期記憶」改名為「工作記憶」,並且主張工作記憶可以被區分成好幾個模組,例如包括了負責處理聲音的「語音迴路」、負責處理視覺訊息的「視覺空間模板」,以及負責協調整合資訊,並且能夠操控注意力以方便我們選擇資訊的「中央執行功能」模組。

在生理方面,現在有不少證據顯示,我們的額葉、頂葉還有其他許多腦區,都和工作記憶有關。

好,以上就是關於工作記憶的介紹,下週我們將要繼續介紹記憶中的長期記憶。如果大家有問題的話,歡迎大家到鏡好聽的粉專或instagram、或是我的臉書留言。我是大腦好好玩的節目主持人謝伯讓,用科學故事,讓腦說話。我們下週再見,掰掰!」

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