客体的视觉工作记忆研究进展，本文主要内容关键词为：客体论文,研究进展论文,视觉论文,记忆论文,工作论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：B842 文献标识码： 文章编号：1006—6020（2007）—01—0003—08
1 引言
工作记忆（working memory）是人执行认知任务时所涉及的一个对所需信息进行保持及操作的系统[1]，它与诸多的基本认知活动相关，是认知过程涉及的核心部分之一。Baddeley提出，工作记忆并非是个单一系统，而是由多种成分组成，包括中枢执行（central executive）、语音回路（phonological loop）和视空画板（visuospatial sketch pad）三个子系统[1～3]。这一假设已得到大量来自行为和脑成像研究的证据[4]。视觉工作记忆（visual Working memory）指对非言语视觉信息的短时存储，是视觉信息接受进一步处理前的暂时存储[5]。早期的研究主要集中于以语言和文字材料为内容的工作记忆，而对纯视觉信息的工作记忆关注较少。近年来Luck和Vogel进行了一项针对视觉客体信息在工作记忆中的存储方式和容量问题的研究[6]，并由此引发了一系列对视觉工作记忆（或视觉短时记忆）的研究。目前，来自选择性注意和视觉工作记忆等领域的大量研究采用不同研究范式，均获得了对视觉信息的加工是以客体（object）为基本单元的证据[7～10]。因此，围绕“客体”这一基本概念，对基于客体（objectbased）的视觉工作记忆表征和存储机制进行探讨，不仅有助于整合针对不同视觉加工阶段研究的成果，从而建构更具一般性的认知加工模型；同时也能为设计高效、可靠、安全的人机系统提供实践指导。
2 视觉工作记忆的研究范式
当前视觉工作记忆研究普遍采用的范式是由Phillips首先引入的变化觉察范式（change detection paradigm）[11]。典型的变化觉察范式包括三个阶段：（1）记忆阶段：向被试呈现一组视觉刺激，称为记忆项（memory item），每个记忆项由一个或多个特征定义而成（如红色方块）。记忆项通常呈现几百毫秒。（2）间隔阶段（即inter-stimuli interval,ISI）：视觉刺激消失后，屏幕只呈现背景色而无任何视觉信息，可通过改变间隔，操纵要求被试保持识记内容的持续时间。（3）检测阶段：再次向被试呈现一个或一组视觉刺激，称为检测项（test item），要求被试判断检测刺激与记忆刺激相比较是否发生了变化，并做出“相同”或“不同”的反应。通常以被试判断的准确率作为任务指标。研究者根据所关注问题，通过操纵呈现的项目个数、项目的特征组成、项目变化的类型等方式考察被试在各种条件下的记忆成绩，从而对所研究问题作出推断。
变化觉察范式下的任务设计有着多种变化形式，如，检测项呈现方式有整体呈现（whole display）和单检测项（single-probe）检测两种[12]。前者指检测项的数量与记忆项相同，通常只变化检测刺激中的一个项目，要求被试判断检测刺激与记忆刺激是否完全相同。后者是指检测阶段只呈现一个刺激项，要求被试判断该刺激项是否曾呈现于记忆项中。此外，变化觉察范式下的双任务设计也被视觉工作记忆相关研究经常采用。如，Luck等和wheeler等的经典研究中均采用了双任务设计来控制或排除言语编码对视觉工作记忆的影响作用[6,10,12]；Fougnie和Marois则采用双任务设计把视觉工作记忆任务与多客体追踪（multiple object tracking）任务相结合，试图将工作记忆容量与注意容量进行分离[13]。
3 客体在视觉工作记忆中的存储方式和容量
早期有关工作记忆的研究主要集中于语言工作记忆，而对视觉工作记忆的研究相对较少，其中涉及视觉工作记忆存储方式和容量的研究则更少见。其中最具代表性的是Phillips及其同事所进行的一系列视觉短时记忆研究[11,14,15]。他们的研究似乎已回答了有关视觉短时记忆的容量、持续时间等基本问题，因此少有研究者专门对视觉短时记忆（或视觉工作记忆）主题开展进一步探讨。虽然有研究涉及视觉信息的短时记忆问题，但通常采用了语言材料，关注的是语言信息的加工和存储过程。Irwin有关基于字母刺激的短时记忆容量的研究[16,17] 同样无法排除被试借助于言语信息对识记加工的影响。根据Cowan的观点[18]，该类研究难以精确估计视觉工作记忆的“纯”容量。
近十年来，视觉工作记忆的存储容量、存储单元和存储方式等问题重新引起了研究者的关注，已有研究提出了数个基于客体的视觉工作记忆假设。
3.1 “强客体”假设
早期研究认为，视觉信息是以整合客体的方式稳固地存储于工作记忆中，记忆容量取决于客体的数量，而不受客体所含特征的数目和种类影响。这种观点被称为“强客体”假设（strong-object hypothesis）[19]。
Luck等人最早用变化觉察范式探讨了视觉工作记忆的存储方式和容量问题[6,10]。他们在单特征客体记忆容量的实验中，向被试呈现若干个方块，要求记忆其颜色。当实验刺激为1到3个色块时，被试的记忆准确率接近100％。当色块数量增至4～12个时，随色块数量增多，准确率显著下降。他们排除猜测率后，获得了视觉工作记忆能存储3～4个刺激颜色的结果。他们考察了视觉工作记忆的存储单元是整合的客体抑或是特征的问题。在以彩色线段为刺激项的实验中，包含三种任务：任务1，只有线段的颜色会改变，朝向保持恒定，只要求被试记忆颜色；任务2，只有线段的朝向会改变，颜色保持恒定，只要求被试记忆朝向；任务3，线段的两个特征（颜色和朝向）均可发生改变，要求被试对颜色和朝向都要记忆。结果表明，被试的记忆准确率在上述三种任务中无显著差异。当Luck等把客体特征增至4个（即颜色、朝向、大小、中间有无分隔）时，发现要求被试记忆客体1个特征和全部4个特征在准确率上仍无差异。他们由此得出结论，记忆准确率只取决于客体数量，而与组成客体的特征数量无关，因此视觉工作记忆的存储单元为整合了各种特征的客体。然而上述结果也存在另一种解释，即视觉工作记忆中存在多个独立的存储器（如颜色存储器、形状存储器等），每个存储器保存特定维度的特征，且各自的容量有限，但彼此之间却无资源冲突。为检验上述假设，Luck等人比较了单色块和双色块（一个方块中内嵌一个小方块）的记忆准确率。结果表明，当方块数量相同时，尽管在双色块条件下被试所需记忆的颜色数量是单色块条件下的两倍，但两种条件下的记忆准确率并不存在显著差异。该结果支持了视觉工作记忆存储单元为整合客体的观点。基于上述实验结果，他们认为，视觉工作记忆的存储单元是整合的客体；容量只受到客体数量的限制，为3到4个客体，而与组成客体的特征数量和种类无关。Luck和Vogel的研究引起了研究者对视觉工作记忆问题的重新关注，诸多研究分别从不同角度获得了支持或限制上述研究结论的实验证据。
Lee和Chun认为，在Luck等人的研究中，每个客体刺激都占据一空间位置，因此，该研究的所有结果也可以用基于空间的假设来解释，即视觉工作记忆的存储单元是空间位置，它的容量只受空间位置数目限制而与客体数量无关。为此，他们在实验中控制客体数量恒定，采用客体空间重叠的方法，操纵客体占据的空间位置数。结果表明，记忆准确率只取决于客体数量，而与客体占据的空间位置数量无关，进一步支持了Luck等人的结论[20]。
3.2 “弱客体”假设
Luck等人的经典实验受到了随后研究的质疑。不少研究者采用双色块作为刺激，从不同角度重复了这个实验，但都得出了与Luck等的结论不相符的结果，当客体在同一特征维度上同时具有不同值的时候，记忆容量限制在于特征值的数量而非客体数量，即视觉工作记忆的基本存储单元是特征而不是客体[12,19,21～23]。这些研究还发现，当控制特征数量恒定时，提高特征种类的异质性会提高记忆准确率，如记忆三个颜色和三个朝向的记忆成绩优于记忆六个颜色（或朝向）[19,22]。他们由此推论，视觉客体工作记忆容量不仅取决于客体数量，同时也受客体所含特征信息的复杂程度及相互之间的关系影响。此观点被Olson等人称为“弱客体”假设（weak-object hypothesis）[19]。
此外，另有大量研究为“弱客体”假设提供了实验支持。Xu的研究发现，记忆准确率不仅与客体数量有关，而且也受构成客体的特征维度与特征整合方式的影响。当客体由异质特征（如颜色和朝向）组成时，特征整合于同一客体同一部分的记忆绩效优于整合于同一客体不同部分；当客体由同质特征（如两种颜色）组成时，客体的记忆只受特征数影响[24,25]。Xu最近对其研究中所观察到的客体优势效应进行了进一步探讨，发现客体组成部分的位置接近性（Location proximity）和连通性（connectedness）都是决定基于客体的特征整合及视觉工作记忆存储的信息总量的关键因素[26]。Xu和Chun还为视觉客体工作记忆容量不仅取决于客体数目同时还受客体特征信息复杂程度影响的观点提供脑成像研究的证据[27]。此外，Jiang等和Delvenne等的研究认为，空间构形（spatial configuration）作为工作记忆中不同刺激项目之间的空间位置关系，也能存储在视觉工作记忆中，且在有些条件下能提高视觉工作记忆的容量[28,29]。Delvenne和Bruyer新近的研究发现基于客体的编码有助于对同一客体不同部分特征的记忆，且利用空间构形的编码信息还可显著增强这种效应[30]。另有Alvarez和Cavanagh的研究发现，视觉工作记忆容量受客体的信息负荷（information load）影响，记忆容量随客体在知觉编码阶段加工难度的提高而减小[31]。Davis和Holmes对视觉工作记忆的容量是固定的4个客体的观点提出了反对[32,33]。他们指出，在以往的研究中，随着客体数目的增多，视觉刺激所占据的表面积也同时增大，这样视觉刺激所具有的特征信息量也自然增加。所以，这些研究中发现，随着客体数量增加而记忆绩效降低这类结果也许反映的并不是客体数量自身的效应，而是相关知觉信息量也随着客体数量而增加所带来的效应。他们通过实验发现，当恒定实验刺激所占据的空间区域大小时，客体数量变化对记忆绩效不再具有影响。
上述研究结果与Luck等人提出的对各种特征信息均以整合的客体为单元进行存储且容量为4的假设并不完全相符，支持了关于视觉工作记忆存储方式的“弱客体”假设，表明视觉客体工作记忆容量不仅取决于客体数量，同时也受客体所含特征数量、种类、绑定关系及客体所含特征信息复杂程度的影响。
3.3 双重存储机制假设
正如前文所述，诸多研究已发现，在多特征客体中，记忆容量受限于同一特征维度取值数量而非客体数量[12,19,21～23]。该结果与客体特征能并行存储的观点相符，即客体不同维度特征具有各自独立的存储空间[34]，工作记忆容量受限于各个维度特征的独立容量[12]。
基于特征并行存储的观点，Wheeler和Treisman结合特征整合理论[35] 进一步提出了用于解释客体在视觉工作记忆中存储方式的双重存储机制（dual-storage mechanism）假设[12]。Wheeler和Treisman指出，对客体的记忆应包括构成客体的特征和特征之间绑定关系（binding）两方面信息。例如，对于红色方块和蓝色圆形这两个客体，对其正确的表征不仅需要记忆它们的四个特征值（红色、方块、蓝色、圆形），而且还需要记忆特征之间的关系（红色对方块，蓝色对圆形），以避免发生类似在视知觉研究领域发现的“错觉性结合”（illusory conjunction）[36]。然而先前实验中的特征变化条件下，通常使用未出现过的新特征替代原有特征，如在记忆阶段呈现红色方块和蓝色圆形，在判断阶段呈现黄色方块和蓝色圆形。此时即使只记住了客体的四个特征值，而没能记住其绑定关系，也能作出正确判断。因此，Wheeler和Treisman认为，先前研究并不足以得出存储单元是整合客体的结论。为此，她们在研究中引入一种新的任务条件，即保持先后呈现刺激的原有特征不变，只交换客体间特征，仅改变特征绑定关系。如先呈现红色方块和蓝色圆形，然后变为蓝色方块和红色圆形。她们的研究假设是，如果客体的特征信息是以整合的方式存储于视觉工作记忆中，则对绑定关系的记忆绩效应不低于对加工难度最大特征的记忆绩效。该研究证实了上述假设。因此，她们认为视觉工作记忆能够保存完整的客体信息，但客体特征和特征绑定关系可能依赖不同的机制存储。其双重存储机制假设包括如下基本观点：（1）客体特征并行存储，每一维度的特征（空间位置、颜色、形状等）都有相互独立的专有存储区，且容量有限；（2）特征间通过绑定，组成整合的客体，其绑定关系的存储并不耗费各维度特征的存储容量，但有赖于注意资源保持[12]。
Fencsik随后的研究获得了与Wheeler和Treisman的研究一致的结果[37]。此外Delvenne和Bruyer的研究进一步指出客体的单个特征可作为客体单元的一个组成部分进行编码[38]。最近沈模卫等考察了由颜色和形状两基本特征组成的视觉客体的工作记忆存储方式，获得了与Wheeler和Treisman的研究一致的结果[39]。他们在进一步的实验中探讨了同一客体所含基本特征（颜色）和需集中注意参与提取的细节特征（兰道环的开口朝向）的存储方式，结果发现，针对细节特征，需要记忆绑定关系时的绩效显著低于仅需记忆颜色或开口朝向两种特征时的绩效。他们的研究结果与强客体假设相矛盾，却可以在双重存储机制的框架下进行解释。在其研究结果的基础上他们所提出的假设是：在知觉阶段以并行方式加工的基本特征能以整合客体的方式存储于工作记忆中，而需集中注意参与，以系列方式进行加工的客体特征信息则难以被整合于工作记忆中的客体表征。笔者认为这种现象很可能反映了双重存储机制中特征存储与绑定关系存储对注意资源的不同需求，即可以并行编码的特征之间的绑定关系较少耗费注意资源，所以更容易以整合客体的方式进行存储；而需要系列编码的特征耗费较多的注意资源，故能再分配于保持绑定关系的资源就更少，因此难以以整合客体的方式存储。
客体特征的双重存储机制也可以用来自神经科学的研究成果进行解释。根据Singer等提出的神经元同步发射（synchronous firing of neurons）假设，绑定关系是通过不同神经元之间的信号同步来保持的[40]。例如，当客体是一条红色的竖线和一条绿色的横线，则代表竖直朝向的神经元与代表红色的神经元将同步发送信号，同样代表水平朝向的神经元则与代表绿色的神经元也同步发送信号。正如Luck和Vogel[41] 所指出的那样，代表某一特征的神经元能同时与代表其他特征的神经元进行同步信号发射的频率数量是有限的，一旦超过这一限度，就可能出现本属于不同客体的特征却产生了错误的同步信号发射，即产生错误绑定。如果仅仅是对同一个客体增加其特征维度，那就意味着仅需更多的神经元以某一频率同步发射信号，所以同一个客体所能够具有的特征维度数量并不会因此而受到限制。
4 客体在视觉工作记忆中的保持时间
视觉工作记忆中信息加工及存储的时间进程也受到研究者的关注。Phillips在他的经典研究中，首次采用变化觉察范式探究了视觉短时记忆的保持时间[11]。他向被试呈现的刺激是由黑色和白色小方块随机组合形成的方格矩阵图，这种方格图可以有不同的复杂水平，如4×4，6×6，8×8。实验结果发现，在ISI为0秒的情况下，对各种复杂水平方格图的记忆几乎都未发生错误；随ISI从0秒增至1秒左右，各种复杂水平方格图的记忆准确率都急剧下降，且复杂程度越高，下降幅度越大，即随复杂程度提高，记忆保持的难度增大。随ISI增长至2～9秒，不同复杂程度的记忆准确率趋于一致，仅有很平坦的下降。基于一系列类似实验的结果，Phillips认为视觉短时记忆（visual short-term memory）与感觉存储（sensory store）存在如下区别：视觉短时记忆不依赖于空间位置，不受掩蔽刺激影响；视感觉存储最多能维持0.5秒甚至更短的时间，而视觉短时记忆在无干扰的条件下则能保持至少15秒甚至更久，其保持效率主要与刺激的复杂程度相关[11,15]。
Vogel等人也对单特征客体的保持时间进行了研究。他们发现，被试的记忆绩效在ISI为900毫秒和4900毫秒两种水平上无显著差异，表明在一定时间内单特征客体能在视觉工作记忆中稳定保持，不会很快遗忘[10]。Wesenick也做了类似Luck的研究，不同的是把刺激材料换成了多特征客体，在检测阶段所呈现的检测项要么和记忆项完全相同，要么其中有一个客体的某一特征发生变化。结果表明，被试的记忆成绩在1～8秒内只有很缓慢的下降，这一结果与Philips和Vogel等的研究结论均相符[42]。
综上所述，以往研究表明，视觉工作记忆和视感觉登记相区别，是一个容量有限，且能够在数秒内较为稳固地保持视觉信息的认知加工子系统。
5 进一步研究的设想
以往研究者从不同角度对视觉工作记忆进行了探讨，达成的共识包括：（1）视觉工作记忆的容量非常有限，但能相对稳定地保持一段时间；（2）不同维度特征整合于同一客体的记忆绩效优于分布于不同客体的条件，即基于客体的记忆优势；（3）所需记忆的特征异质性越高，记忆效果越好。然而，该领域仍然面临许多有待于解决的问题，笔者针对这些问题尝试性地提出了进一步的研究思路。
（1）现有视觉工作记忆的研究大多采用变化觉察范式（或其变式）。变化觉察范式用于视觉工作记忆研究存在的潜在问题是在检测阶段可能受记忆提取或比较效率的影响。如果检测阶段提取记忆中的项目，且与检测项比较的过程耗时较长，该过程中，部分已经保持在工作记忆中的内容可能逐渐丢失，从而导致对实际记忆保持内容的低估。采用在检测阶段仅呈现单检测项的方式[12]，或采用在检测刺激中指定仅对其中一个客体进行判断的方式[10]，都能在一定程度上降低由提取或比较过程可能带来的干扰效应。因此，采用其他研究范式进一步探讨客体视觉工作记忆问题，且对已有研究成果进行进一步验证是很有必要的。
（2）视觉工作记忆的存储单元是整合的客体抑或是特征。有关该问题研究的争论焦点是视觉客体信息是否必定以整合客体的方式进行存储，特征并行存储的同时其绑定关系是否也必定能够保持，以及绑定关系的存储是否与注意资源有关。正如Triesman指出，注意研究中基于位置、基于客体或基于特征的选择性注意并非是绝对对立的，在不同的环境中，注意选择的既可能是位置，也可能是客体或者客体的特征[43]。笔者认为，基于客体的和基于特征的视觉工作记忆之间也并非彼此不相容，很可能只是两者所代表的记忆加工层次不同。目前两者都既获得了实验证据支持，同时也均存在难以解释的实验现象。记忆存储可能是一个复杂的结构，不能以简单的基于客体或基于特征加以说明。Wheeler和Treisman[12] 的双重存储理论融合了基于客体和基于特征两方面的假设，从目前来看，能够解释相当一部分实验现象。笔者设想，从探讨视觉工作记忆的存储中基于特征的限制和基于客体的限制两者之间的机制及相互关系入手，对双重存储理论进行检验和完善，有助于发展有关客体的视觉工作记忆的理论模型。
（3）客体在视觉工作记忆中的存储容量是否仅仅取决于客体数量。目前“弱客体”假设已获得大量实验证据的支持，但对于影响视觉工作记忆容量的因素，仍缺乏系统探讨。“弱客体”假设并不完全否认客体可作为视觉工作记忆的基本存储单元。“弱客体”假设强调在特定条件下，客体复杂程度或客体间的共同特征、空间关系等因素对视觉工作记忆的容量的影响。因此，系统探讨视觉工作记忆容量影响因素，对加深理解工作记忆的机制具有重要的理论意义。
（4）视觉工作记忆的遗忘规律及机制。尽管有研究表明，在无干扰的情况下，视觉工作记忆能保持较长时间，但其信息丢失进程及机制仍不明确。遗忘是基于特征还是基于客体的？干扰效应的产生机制是什么？不同维度特征的遗忘规律是否存在差异？上述问题值得进一步探讨。
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