工作记忆与我们忽略干扰信息的能力

在我们的日常生活中, 经常需要在我们的头脑中短暂地保存信息 (几秒钟)。例如, 在遵循指令执行工作时, 我们必须记住指令；在阅读或听别人说话时, 我们必须在加工句子的其余部分时记住句子前面的部分；在解决问题或做决定时, 我们必须在头脑中记住所有相关的信息, 同时进行工作。这种类型的记忆被称为工作记忆 (Working Memory)。一些人能够在工作记忆中保存比其他人更多的信息。但随着年龄的增长, 人们能在工作记忆中保存的信息逐渐减少 [1], 这可能是影响老年时期生活质量和独立性的因素。在本研究中, 我们试图了解为什么工作记忆会受限, 为什么它因人而异, 以及为什么随着年龄增长, 人们的工作记忆容量往往会下降。

先前研究表明, 我们专注于相关信息并忽略干扰信息 (Distractors) 的能力是工作记忆的一个限制因素, 它会阻止我们在头脑中保存更多的信息, 并且已经有充分的证据证明这一点。有研究人员向人们展示彩色形状的图片, 要求他们将其中一些形状保存在工作记忆中, 并忽略其他形状 [2]。通过使用一种名为脑电图 (EEG) 的技术测量他们的大脑信号, 研究人员估计了每个人在头脑中保存的彩色正方形的数量。他们发现, 那些具有良好工作记忆、能记住大量信息的人只记住了被要求记住的彩色形状。相比之下, 那些工作记忆较差的人似乎记住了比他们需要记忆的形状更多的彩色形状, 这表明他们没有忽略那些不需要记住的形状。研究人员认为, 我们在工作记忆中只保存相关信息、同时排除其他信息的能力, 可能是限制工作记忆的重要因素。

矛盾的结果

利用脑部扫描仪, 我们可以测量大脑中的血流情况, 并观察在进行特定活动时大脑的不同区域是如何被激活的。我们使用一种名为 功能磁共振成像 (fMRI) 的脑部扫描技术, 来测量人们在执行工作记忆任务时的大脑活动 [3]。我们确定了一个大脑中可能参与将干扰信息排除在工作记忆之外的脑区 [4]。这个脑区会充当“守门人”的角色, 在允许一些信息进入记忆的同时阻止其他信息的进入。尽管这是一个令人兴奋的发现, 但它似乎与现有的一些研究结果不符。例如, 患有帕金森病 (一种影响运动和记忆的疾病) 的患者在这个脑区中存在的化学物质多巴胺 (Dopamine) 较少。如果这个脑区确实是“守门人”, 我们可以预期帕金森患者比非患者更难忽略干扰信息。然而, 有研究表明, 他们似乎比非患者在忽略干扰信息上表现得更好 [5]。

仔细研究不同的实验设计, 我们发现在不同实验中, 分心图像呈现的时间存在细微差异。在我们的研究中, 分心图像与志愿者被要求保存在脑海中的信息同时出现。这就好比当你试图将一个电话号码存入工作记忆中时, 突然听到一声犬吠。而在帕金森病研究中, 首先向患者展示他们要记住的图像, 然后, 当他们记住这些图像时, 再呈现分心图像。这就好比当你已经将电话号码存入工作记忆中, 准备在电话里输入号码时, 突然听到犬吠。我们需要弄清楚这种分心图像呈现时间上的差异是否能够解释这些研究中结果的不同。大脑是否以不同的方式处理这两种类型的分心图像？如果有两种单独的大脑机制来分别忽略这两种类型的干扰信息, 那么它们是如何受到年龄的影响的？以及它们是否都能限制工作记忆?

智能手机游戏

为了探究这个可能性, 我们需要测量不同人在忽略每种类型的干扰信息上的表现, 以了解这些能力如何限制一个人能记住的信息量。在这个研究中, 我们需要大量的志愿者, 并需要他们年龄不同, 能力各异。邀请人们前来实验室参加研究既耗时且会消耗大量经费, 因此我们选择使用智能手机游戏来进行研究。在游戏中, 我们要求人们记住红色圆圈的位置, 且忽略黄色圆圈, 这些黄色圆圈可能与红色圆圈一起出现, 也可能在红色圆圈之后出现 (图 1)。随着参与者玩游戏, 红色圆圈的数量逐渐增加, 使得游戏变得更具挑战性 (和令人兴奋！), 直到最终他们无法再记住更多红色圆圈, 我们就找到了他们工作记忆容量的极限。通过这些数据, 我们可以估计参与者在忽略这两种类型的干扰信息上的表现。使用这种方法, 我们收集了来自 18 岁至 69 岁的总共 29631 名参与者的数据。

正如我们预期的那样, 当黄色圆圈出现时, 玩家在头脑中能够记住的红色圆圈数量减少, 记忆表现受到了干扰。同时, 老年人似乎特别容易受到干扰信息的影响, 我们也预测到了这一点。然而, 新的发现是两种类型干扰信息之间显著差异。尽管当红色和黄色圆圈同时呈现时老年人的工作记忆会受到影响, 但在红色圆圈已经在工作记忆中的条件下, 他们受到的影响要大得多 (图 2)。这表明确实存在着不同的机制来忽略这两种类型的干扰, 并且年龄以不同的方式影响这些机制。

信息在头脑中保存方式的变化

由于我们在研究中有很多参与者, 我们还可以探索数据中的其他模式。我们发现, 通过观察个人忽略每种类型干扰信息的能力, 我们可以预测一个人能够在头脑中保存多少信息。然而, 随着人们年龄的增长, 这些能力之间的关系发生了变化。对于老年人来说, 在预测他们的工作记忆时, 忽略与要记住的信息同时出现的干扰信息的能力似乎更为重要, 并且对他们的工作记忆有更大的限制作用。这表明随着年龄增长, 我们会调整我们在工作记忆中保存信息的方式, 并更多地依赖于忽略与相关信息同时出现的干扰信息的能力。

对于工作记忆, 我们仍然有很多需要探索的地方, 但这项工作告诉我们, 人们似乎使用不同的机制来忽略不同类型的干扰信息, 并且随着年龄的增长, 这些机制以不同的方式限制了工作记忆。看来老化不仅涉及工作记忆的衰退, 还涉及到形成工作记忆的不同大脑机制的改变。一个简单的工作记忆游戏就能帮助我们得到这一发现！

术语表

工作记忆 (Working memory): ↑ 在短时间内存储信息的能力。

干扰信息 (Distractors): ↑ 与个体正在完成的任务无关的刺激或信息, 应该被忽略。

脑电图 (Electroencephalography/EEG): ↑ 记录大脑电活动的一种方法。

功能磁共振成像 (Functional magnetic resonance imaging/fMRI): ↑ 记录与大脑活动相关的血流变化的一种方法。

帕金森病 (Parkinson's disease): ↑ 一种影响大脑并与大脑中化学物质多巴胺减少有关的疾病。

多巴胺 (Dopamine): ↑ 与记忆有关的一种大脑化学物质。

利益冲突声明

作者声明, 该研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。

致谢

本研究得到了威康信托基金会研究职业发展奖学金 (091826/Z/10/Z) 的支持, 由 FM 持有。CA 持有约克大学的博士研究生奖学金。 感谢脑与心智毕生发展研究中心、发展人口神经科学研究中心对本文中文翻译的贡献。感谢朱言对本文中文翻译及编辑的贡献；感谢左西年、张蕾对本文中文审校的贡献。