工作記憶Working Memory是我們每天醒著的時候經常會使用到的一種短期記憶,通常是暫時存放於大腦,方便做資訊處理操作或運算核對的場所。想像你上菜市場買菜時,工作記憶就存放著當日需要採購的項目,可以讓你一邊買菜時一邊作核對,這樣就能防止漏買任何一樣菜色。選購完畢時,菜販心裡計算著你所選購項目的總價時,也是運用工作記憶來做心算。當你付完錢後,發現比你預估的花費還要少時,很開心的在心裡鼓勵自己:”你真是一位省錢達人,省下的菜錢很快就可以買心愛的手機了,加油!"。心裡暗自對話的這個時候,也是使用工作記憶,可見我們日常生活會用到工作記憶的地方是無所不在。如果仔細分析平時工作記憶存放的內容,將會發現這些記憶的項目不但是我們當下意識的焦點,同時也與我們的注意力有密切的關聯。
上述有關自我對話的論述是根據心理學家維高斯基(Vygotsky)的認知發展論,一般人內部對話的能力,最早始於2-3歲牙牙學語的幼兒時期。此時的幼兒開始學習整合分屬不同系統的思想與語言, 當進行一項困難的認知行為時,幼兒通常會對著自己喃喃自語並記下該語句所代表的現象與意涵。當年紀更大時, 喃喃自語的行為會因內化(internalize)而不再說出聲音來,在心裡喃喃自語的現象便慢慢發展成內部自我對話。底下圖1有一組7位數的電腦開機密碼,請利用20秒鐘的時間,默默的記下這組密碼,然後閉上眼睛大約10秒鐘之後,再將記住的密碼在電腦螢幕前唸出來,然後張開眼核對密碼是否正確? 請按照上述方法跟著做一次。
圖1. 密碼
如果能在時間內正確唸出密碼的人,大部分是使用相同的方法在心裡記住這7位數字。如果回想你如何記住密碼的過程會發現,大部分的人會先在心裡默唸這些數字,心裡面聽到是自己的聲音,當眼睛閉上時,為了記住這些數字更久一點,我們會在心裡面複誦剛剛默唸的聲音,直到10秒後唸出聲音來為止。這樣的一系列的動作,實際上已經使用到工作記憶的一部分了。工作記憶屬於短暫的短期記憶(Short-term Memory),當我們在做心算、語言的理解和做一連串複雜且須按照順序的動作時都會用到它。它的特性不僅是記憶的時間很短暫,就連容量也十分有限。因此在做與其相關的思考和記憶的任務時,就會侷限於它有限的資源。工作記憶可同時間處理的事情也限制在某種程度裡,有些任務可以同時間一起運行,但是有些任務在同時運行的時候,會因為爭奪有限資源的特性,而造成互相影響彼此執行的效能。例如在閱讀一段文章時,假如旁邊也有人同時唸出多組完全不同的數字組合,並且要求你完整無誤的記住文章的內容與那些口述的數字組合時,其結果一定會非常不理想,不是顧此失彼就是兩邊的內容都無法記住。
圖2.Baddeley的工作記憶模型
心理學家Alan Baddeley大概是研究這方面的先驅,他就是根據許多實驗的結果,而提出了工作記憶不只僅有單一一個暫存空間的假設,他所建立的這個工作記憶模型(Baddeley Working Memory Model)裡,就有一個執行部門與三個暫存的記憶空間(如圖2):
第一層是中央執行部門(Central Executive),專門負責掌控和分配所有工作記憶系統中注意力的運用。以注意力的集中、注意力的區隔和注意力的轉換...等方式,來管理並分配注意力給系統裡不同的暫存資源。
第二層有視覺空間素描板(Visuospatial Sketchpad)、情節暫存(Episodic Buffer)和聲韻迴路部門(Phonological Loop)。
第三層有解譯感覺、視覺與空間訊息的視覺語意(Visual Semantics),儲存視覺、聽覺與感覺等綜合訊息的情節長期記憶(Episodic Long Term Memory)和負責我們語言之聽、說、讀、寫能力的語言系統(Language)。
當我們看到非語言類的資訊時,都會暫時先存放在視覺空間素描板裡,裡面有感覺資訊(包含肌肉動作與操作程序...等等)、視覺資訊(包含物體的顏色、形狀、與長度...等等)和空間的資訊(包含方向、位置、距離與速度...等等)都分別在視覺語意系統裡,被辨識其意義與解讀其內涵,此處也是空間圖像與語言文字的轉譯中心。
情節暫存不僅是提供汲取長期記憶的通道,而且可以整合聲韻部門與視覺空間素描板的資訊,也就是我們平常所見與所聞的訊息,然後儲存於情節長期記憶裡。
聲韻迴路部門是一個暫存空間,專門存放聲音、音樂及口語...等訊息。其內還包含兩個子系統,聲韻存放(Phonological Store)此區域的功能僅作為聲音類資訊之暫時存放空間, 其特性是有容量的限制,而且會消失的非常快,大約1-2秒一閃即逝,因此常被形容為記憶的軌跡。另一個子系統是音節複誦機制(Articulatory Rehearsal Mechanism),其功用即在聲韻存放的聲音資訊即將消失前,再次默唸播放聲韻存放內的聲音資訊,用以保存其軌跡。假使想將聲音資訊保存久一點的話,就需要一直重複這個循環直到結束為止,所以這個重複背誦的過程就叫音節複誦。口語聲音的產生與辨認,都必須進入大腦的語言系統作資訊的存取,此部分與語言的經驗、語言的知識以及其認知功能有關。
剛剛那個開機密碼還記得嗎? 如果忘了也很正常,說明工作記憶短暫的特性。這也是聲韻部門運作的特質: 能很快的馬上記住,會比以視覺空間素描板還快,但是忘記的速度也很快。一般人的工作記憶平均一次最多能同時記住7+-2個數字, 如果字數過長或者是彼此發音類似也會影響記憶的速度,不信的話可以試試底下這行字串,相信一定比上面的開機密碼還難記:
D B C T V P G K F Y L R Q
聲韻迴路部門大概會在大腦的哪一區呢? 根據一組fMRI大腦功能磁共振顯影實驗顯示(如圖3),給受測者一個陌生的電話號碼讓他call,在受測者撥打電話號碼之前,必須記得這個電話號碼,結果大腦左半球的Broca區和Wernicke區顯得比大腦其他的地方還要忙。可見Broca區有一部分的功能就是音節複誦機制,因為此區是負責管理語言的產生,在此實驗中是負責默唸電話號碼。而Wernicke區有一部分的功能就是聲韻存放,此區是語言的理解中心,負責儲存及解釋所傳入的語言和文字的訊息,在此實驗中是負責暫存電話號碼。
圖3.圖片擷取自William H. Calvin and Derek Bickerton, Lingua ex Machina: Reconciling Darwin and Chomsky with the human brain, MIT Press, 2000
如果以上面那個背誦字串為例子,首先DBCTVPGKFYLRQ字串會由視網膜進入步驟1a的初級視覺皮質(Primary Visual Cortex),再到步驟1b的V2視覺區,然後再傳送字串訊息到步驟2的角迴(Angular Gyrus),先在此區將辨認出來的字轉換為聲音訊息之後,再進入步驟3的Wernicke區做語意理解,再透過弓狀束(Arcuate Fasciculus)將這些分辨出來的字串資訊送到步驟4的Broca區。Broca區就會依照分辨出來的訊息,發出正確的聲音。然後聲音就在Broca區與Wernicke區之間,安靜的複誦並同時來回傳送,形成一個聲韻的迴路。直到必須說出此字串時,字串的資訊才會由Broca區傳送到步驟5發聲動作區(Vocalization Motor Area),再透過聲帶及嘴巴將字串正確的說出來。(如圖4)由於這個字串較長,而且當複誦的資訊傳送到聲韻存放的過程中,因為字句的聲音彼此相近,以致於字句的辨識受到干擾而影響到背誦的速度。為了加速完成此任務,有人可能會採取分段複誦的方式,也有人可能會採取漸增式複誦的方法或者會用聲音語意關聯法來複誦,採用的方法可能因人而異,但是聲韻迴路所使用複誦的基本原則並沒有受到改變。
圖4.取材自腦的美麗境界 http://www.brainlohas.org/wonderfulbrain/guide_b.htm
但是, 並不是所有的人都是使用聲韻迴路部門來記住密碼的, 在一群平均13歲左右(02-03年出生)的國中生裡做上述的實驗顯示, 有極少數的學生是利用電腦數字鍵盤如圖5以數字順序的軌跡來記住密碼, 而不是一般在心裡或口中默唸的方式來幫助記憶的。
圖5. 電腦數字鍵盤
再仔細觀察利用此記憶方式的人會發現, 在記憶數字順序的過程中, 有些人出現手指輕輕跟著滑動的現象, 有些人則是出現頭部輕輕擺動的現象, 另一部分人則出現眼珠跟著軌跡移動的現象。
此種方式涉及了視覺空間記憶, 也就是工作記憶模型中視覺空間素描板的部分。詳細情形只要我們實際做一次實驗就會明白其中的奧秘。 等一下底下的影片會有一組按鍵, 請記下手指指向按鍵的順序, 準備好了就可以按開始。
相信記住這組4個按鍵的順序位置絕對不會難倒你的, 但是視覺空間記憶也一樣, 在同一時間內同樣有7+-2個數量的記憶限制, 個數多的話會增加記憶的困難度, 不信試試記住底下這組按鍵的順序, 準備好了就可以按開始。
第二組按鍵順序,如果沒辦法看一次就記住是很正常的, 因為之前的受測者平均都看了2-3次才將按鍵的順序記下。為什麼剛剛記憶的過程中有人會輕輕的以手指滑動這些方法來幫助記憶? 首先, 我們先來了解我們視覺運作的方法。 如果我們的頭頸保持不動的姿勢, 兩眼自由游動會形成眼前的一片雙眼視野。(如圖6) 左半邊的視野視訊會進入右半邊的初級視覺皮質, 而右半邊的視野視訊則會進入左半邊的初級視覺皮質。
圖6. 雙眼視覺路徑,取材自網路
視野內的影像訊息在大腦內的傳送路徑: 先進入視網膜--> 視神經 --> 外側膝狀體 --> 初級視覺皮質。所有視野的影像訊息集中進入視覺初級皮質之後會分成兩路, 其中有一路往頂葉方向走稱為背側通道(Dorsal Pathway), 另一路往顳葉方向走稱作腹側通道(Ventral Pathway)。(如圖7)當視野內的視覺訊息匯集到初級視覺皮質時, 有關視野內物體的動作、方向、速度和位置等資訊會整合到V2視覺區、V3視覺區及內側視丘枕(Inferior Pulvinar)經由背側通道再傳送至V5視覺區。V5視覺區又名中顳區(MT)專職移動目標的訊息之分析, 也負責3D移動訊息的解析。這些訊息再透過背側通道傳遞至後頂葉皮質(Posterior Parietal Cortex), 此處不僅是掃視標的空間位置的記憶暫存, 而且與選擇第一個自主眼動的目標地點有關。因為本實驗所採用的是目標導向(Goal-directed visual attention)視覺注意力(*註1), 因此當手指按鍵的視訊出現時, 視訊是被傳送到後頂葉皮質, 手指在視覺空間素描板的位置一旦被確認後, 大部分的視覺注意力也被啟動, 接下來視訊會被傳送到額葉眼動區(frontal eye field), 然後啟動一個自主眼動訊號, 將目光移至手指的按鍵位置。
圖7. 視覺通道,取材自網路
此時大腦內部有關按鍵順序的視覺素描板於是形成, 雙眼的視野就是那塊素描板(視覺素描板模型如圖8), 每一次手指指向的按鍵位置都按照順序重複的寫入素描板內(每一次的視野紀錄就是模型中的視覺暫存), 大腦內部的那塊看不見的素描板就會由模型的內部複寫器記錄下每一個按鍵在視覺素描板內的出現順序與相對的空間位置(實際的情形如圖9)。當然圖8的素描板模型並不十分完備, 譬如此模型只能針對與觀測者保持一定距離的視野平面, 無法表達目標物做靠近或遠離觀測者(受測者)的運動軌跡, 或許這也是為什麼Alan Baddeley教授沒有完成工作記憶模型中視覺空間素描板的原因之一。
圖8. 視覺空間素描板模型, 取材自網路
同一時間, 當視野內的視覺訊息匯集到視覺初級皮質V1時, 有另一路的視訊是走腹側通道, 視訊的內容包含視野內物體的特徵、顏色、形狀及大小等訊息。訊息首先會整合到V4視覺區, 再經由腹側通道到達下側顳葉皮質, 走此通道的目的主要是辨識物體是何物。
圖9.模擬視覺空間素描板在大腦中的運作
那麼剛剛視覺記憶的過程中, 眼珠跟著軌跡移動的現象其實是在重複視覺素描板內部複寫器的複寫順序, 以此來達到延遲記憶(視覺空間覆誦)的目的。如果以fMRI大腦功能性核磁共振顯影技術,檢視受測者在執行延遲記憶時大腦的變化, 會發現背側額頂葉系統Dorsal Frontoparietal System,也就是額葉眼動區FEF與頂內溝Intraparietal Sulcus這兩個區塊特別活躍(如圖10)。
圖10. 取材自https://images.nature.com/full/nature-assets/nrn/journal/v3/n3/images/nrn755-f3.gif
*註1: 視覺選擇性注意力有兩種, 目標導向Goal-Directed與刺激驅動Stimulus-Directed
參考資料:
Alan Baddeley(2012) Working Memory: Theories, Models, and Controversies.
Alan Baddeley(2007) The Working Memory Model: The Development of Working Memory in Children.
Nelson Cowan(2008) What are the Differences Between Long-Term, Short-Term, and Working Memory.
Corlanne Rogalsky, William Matchin and Gregory Hickok(2008) Broca’s Area, Sentence Comprehension, and Working Memory: an fMRI Study.
Lain DeWitt and Josef P. Rauschecker(2013) Wernicke’s Area Revisited: Parallel Streams and Word Processing.
Bradley R. Buchsbaum(2013) The Role of Consciousness in the Phonological Loop: Hidden in Plain Sight.
Donald T. Stuss(2011) Functions of Frontal Lobes: Relation to Executive Functions.
Maurizio Corbetta and Gordon L. Shulman(2002) Control of Goal-Directed and Stimulus-Driven Attention in the Brain.
Radek Ptak(2012) The Frontoparietal Attention Network of Human Brain: Action, Saliency, and a Priority Map of Environment.
Arvid Herwig Miriam Beisrt and Werner X. Schneider(2010) On the Spatial Interaction of Visual Working Memory and Attention: Evidence for a Global Effect from Memory-Guided Saccades.
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