這是我在初中計(jì)算機(jī)課程中，和學(xué)生做的一個(gè)實(shí)驗(yàn)游戲，用以解釋圖型密碼的由來(lái)及其優(yōu)缺點(diǎn)。后來(lái)還做了一個(gè)觸覺(jué)記憶的實(shí)驗(yàn)，由于篇幅的關(guān)系本文暫不收錄。在資料收集的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，早期的學(xué)者喜歡用具體的模型來(lái)作解釋?zhuān)锰幨侨菀酌靼?，但是有其局限性?，F(xiàn)在的學(xué)者普遍都以數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)表達(dá)認(rèn)知加工及其結(jié)果。

工作記憶Working Memory是我們每天醒著的時(shí)候經(jīng)常會(huì)使用到的一種短期記憶,通常是暫時(shí)存放于大腦,方便做信息處理操作或運(yùn)算核對(duì)的場(chǎng)所。想象你上菜市場(chǎng)買(mǎi)菜,工作記憶就存放著當(dāng)日需要采購(gòu)的項(xiàng)目,可以讓你一邊買(mǎi)菜時(shí)一邊作核對(duì),這樣就能防止漏買(mǎi)任何一樣菜色。選購(gòu)?fù)戤厱r(shí),菜販心里計(jì)算著你所選購(gòu)項(xiàng)目的總價(jià)時(shí),也是運(yùn)用工作記憶來(lái)做心算。當(dāng)你付完錢(qián)后,發(fā)現(xiàn)比你預(yù)估的花費(fèi)還要少時(shí),很開(kāi)心的在心里鼓勵(lì)自己:”你真是一位省錢(qián)達(dá)人,省下的菜錢(qián)很快就可以買(mǎi)心愛(ài)的手機(jī)了,加油!"。心里暗自對(duì)話的這個(gè)時(shí)候,也是使用工作記憶,可見(jiàn)我們?nèi)粘Ｉ顣?huì)用到工作記憶的地方是無(wú)所不在。如果仔細(xì)分析平時(shí)工作記憶存放的內(nèi)容,將會(huì)發(fā)現(xiàn)這些記憶的項(xiàng)目不但是我們當(dāng)下意識(shí)的焦點(diǎn),同時(shí)也與我們的注意力有密切的關(guān)聯(lián)。

上述有關(guān)自我對(duì)話的論述是根據(jù)心理學(xué)家維高斯基(Vygotsky)的認(rèn)知發(fā)展論,一般人內(nèi)部對(duì)話的能力,最早始于2-3歲牙牙學(xué)語(yǔ)的幼兒時(shí)期。此時(shí)的幼兒開(kāi)始學(xué)習(xí)整合分屬不同系統(tǒng)的思想與語(yǔ)言, 當(dāng)進(jìn)行一項(xiàng)困難的認(rèn)知行為時(shí),幼兒通常會(huì)對(duì)著自己喃喃自語(yǔ)并記下該語(yǔ)句所代表的現(xiàn)象與意涵。當(dāng)年紀(jì)更大時(shí), 喃喃自語(yǔ)的行為會(huì)因內(nèi)化(internalize)而不再說(shuō)出聲音來(lái),在心里喃喃自語(yǔ)的現(xiàn)象便慢慢發(fā)展成內(nèi)部自我對(duì)話。底下圖1有一組7位數(shù)的計(jì)算機(jī)開(kāi)機(jī)密碼,請(qǐng)利用20秒鐘的時(shí)間,默默的記下這組密碼,然后閉上眼睛大約10秒鐘之后,再將記住的密碼在計(jì)算機(jī)屏幕前唸出來(lái),然后張開(kāi)眼核對(duì)密碼是否正確? 請(qǐng)按照上述方法跟著做做一次。

如果能在時(shí)間內(nèi)正確唸出密碼的人,大部分是使用相同的記憶方法。如果你回想如何記住這組密碼的過(guò)程，你會(huì)發(fā)現(xiàn)大部分的人先在心里默唸這些數(shù)字, 為了記住這些數(shù)字更久一點(diǎn), 會(huì)在心里面復(fù)誦剛剛默唸的聲音,直到說(shuō)出答案來(lái)為止。這樣一系列的動(dòng)作,實(shí)際上已經(jīng)使用到工作記憶的一部分了。工作記憶屬于短時(shí)記憶(Short-term Memory), 當(dāng)我們?cè)谧鲂乃?、語(yǔ)言的理解和做一連串復(fù)雜且須按照順序的動(dòng)作時(shí)都會(huì)用到它。它的特性不僅是記憶的時(shí)間很短暫,就連容量也十分有限。因此在做與其相關(guān)的思考和記憶的任務(wù)時(shí),就會(huì)侷限于它有限的資源。工作記憶可同時(shí)間處理的事情也限制在某種程度里,有些任務(wù)可以同時(shí)一起運(yùn)行,但是有些任務(wù)在同時(shí)運(yùn)行的時(shí)候,會(huì)因?yàn)闋?zhēng)奪有限資源的特性,而造成互相影響彼此執(zhí)行的效能。例如在閱讀一段文章時(shí),假如旁邊也有人同時(shí)唸出多組完全不同的數(shù)字組合,并且要求你完整無(wú)誤的記住文章的內(nèi)容與那些口述的數(shù)字組合時(shí),其結(jié)果一定會(huì)非常不理想,不是顧此失彼就是兩邊的內(nèi)容都無(wú)法記住。

心理學(xué)家Alan Baddeley大概是研究工作記憶的先驅(qū),他就是根據(jù)許多實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,而提出了工作記憶不只僅有單一一個(gè)暫存空間的假設(shè),他所建立的這個(gè)工作記憶模型(Baddeley Working Memory Model)里,就有一個(gè)執(zhí)行部門(mén)與三個(gè)暫存的記憶空間(如圖2):

第一層是中央執(zhí)行部門(mén)(Central Executive),專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)掌控和分配所有工作記憶系統(tǒng)中注意力的運(yùn)用。以注意力的集中、注意力的區(qū)隔和注意力的轉(zhuǎn)換...等方式,來(lái)管理并分配注意力給系統(tǒng)里不同的暫存資源。

第二層有視覺(jué)空間素描板(Visuospatial Sketchpad)、情節(jié)暫存(Episodic Buffer)和聲韻回路部門(mén)(Phonological Loop)。

第三層有解譯感覺(jué)、視覺(jué)與空間訊息的視覺(jué)語(yǔ)意(Visual Semantics),儲(chǔ)存視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)與感覺(jué)等綜合信息的情節(jié)長(zhǎng)時(shí)記憶(Episodic Long Term Memory)和負(fù)責(zé)我們語(yǔ)言之聽(tīng)、說(shuō)、讀、寫(xiě)能力的語(yǔ)言系統(tǒng)(Language)。

當(dāng)我們看到非語(yǔ)言類(lèi)的信息時(shí),都會(huì)暫時(shí)先存放在視覺(jué)空間素描板里,里面有感覺(jué)信息(包含肌肉動(dòng)作與操作程序...等等)、視覺(jué)信息(包含物體的顏色、形狀、與長(zhǎng)度...等等)和空間的信息(包含方向、位置、距離與速度...等等)都分別在視覺(jué)語(yǔ)意系統(tǒng)里,被辨識(shí)其意義與解讀其內(nèi)涵,此處也是空間圖像與語(yǔ)言文字的轉(zhuǎn)譯中心。

情節(jié)暫存不僅是提供汲取長(zhǎng)時(shí)記憶的通道,而且可以整合聲韻部門(mén)與視覺(jué)空間素描板的信息,也就是我們平常所見(jiàn)所聞與所感覺(jué)到的信息,然后再匯整儲(chǔ)存于情節(jié)長(zhǎng)時(shí)記憶里。

聲韻回路部門(mén)是一個(gè)暫存空間,專(zhuān)門(mén)存放聲音、音樂(lè)及口語(yǔ)...等信息。其中還包含兩個(gè)子系統(tǒng),聲韻存放(Phonological Store)此區(qū)域的功能僅作為聲音類(lèi)信息之暫時(shí)存放空間, 其特性是有容量的限制,而且會(huì)消失的非?？?大約1-2秒一閃即逝,因此常被形容為記憶的軌跡。另一個(gè)子系統(tǒng)是音節(jié)復(fù)誦機(jī)制(Articulatory Rehearsal Mechanism),其功用即在聲韻存放的聲音信息即將消失前,再次默唸播放聲韻存放內(nèi)的聲音信息,用以保存其軌跡。假使想將聲音信息保存久一點(diǎn)的話,就需要一直重復(fù)這個(gè)循環(huán)直到結(jié)束為止,所以這個(gè)重復(fù)背誦的過(guò)程就叫音節(jié)復(fù)誦?？谡Z(yǔ)聲音的產(chǎn)生與辨認(rèn),都必須進(jìn)入大腦的語(yǔ)言系統(tǒng)作信息的存取,此部分與語(yǔ)言的經(jīng)驗(yàn)、語(yǔ)言的知識(shí)以及其認(rèn)知功能有關(guān)。

剛剛那個(gè)開(kāi)機(jī)密碼還記得嗎? 如果忘了也很正常,說(shuō)明工作記憶短暫的特性。這也是聲韻部門(mén)運(yùn)作的特質(zhì): 能很快的馬上記住,會(huì)比以視覺(jué)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(shí)記住5-9個(gè)數(shù)字, 如果字?jǐn)?shù)過(guò)長(zhǎng)或者是彼此發(fā)音類(lèi)似也會(huì)影響記憶的速度,不信的話可以試試底下這行字符串,相信一定比上面的開(kāi)機(jī)密碼還難記:

?D B C T V P G K F Y L R Q

聲韻回路部門(mén)大概會(huì)在大腦的哪一區(qū)呢? 根據(jù)一組fMRI大腦功能磁共振顯影實(shí)驗(yàn)顯示(如圖3),給受測(cè)者一個(gè)陌生的電話號(hào)碼讓他call,在受測(cè)者撥打電話號(hào)碼之前,必須記得這個(gè)電話號(hào)碼,結(jié)果大腦左半球的Broca區(qū)和Wernicke區(qū)顯得比大腦其他的地方還要忙?？梢?jiàn)Broca區(qū)有一部分的功能就是音節(jié)復(fù)誦機(jī)制,因?yàn)榇藚^(qū)是負(fù)責(zé)管理語(yǔ)言的產(chǎn)生,在此實(shí)驗(yàn)中是負(fù)責(zé)默唸電話號(hào)碼。而Wernicke區(qū)有一部分的功能就是聲韻存放,此區(qū)是作為語(yǔ)言的理解中心,負(fù)責(zé)儲(chǔ)存及解釋所傳入的語(yǔ)言和文字的信息,在此實(shí)驗(yàn)中是負(fù)責(zé)暫存電話號(hào)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(gè)背誦字符串為例子,首先DBCTVPGKFYLRQ字符串會(huì)由視網(wǎng)膜進(jìn)入步驟1a的初級(jí)視覺(jué)皮質(zhì)(Primary Visual Cortex),再到步驟1b的V2視覺(jué)區(qū),然后再傳送字符串訊息到步驟2的角回(Angular Gyrus),先在此區(qū)將辨認(rèn)出來(lái)的字轉(zhuǎn)換為聲音信息之后,再進(jìn)入步驟3的Wernicke區(qū)做語(yǔ)意理解,再透過(guò)弓狀束(Arcuate Fasciculus)將這些分辨出來(lái)的字符串信息送到步驟4的Broca區(qū)。Broca區(qū)就會(huì)依照分辨出來(lái)的訊息,發(fā)出正確的聲音。然后聲音就在Broca區(qū)與Wernicke區(qū)之間,安靜的復(fù)誦并同時(shí)來(lái)回傳送,形成一個(gè)聲韻的回路。直到必須說(shuō)出此字符串時(shí),字符串的信息才會(huì)由Broca區(qū)傳送到步驟5發(fā)聲運(yùn)動(dòng)區(qū)(Vocalization Motor Area),再透過(guò)聲帶及嘴巴將字符串正確的說(shuō)出來(lái)。(如圖4)由于這個(gè)字符串較長(zhǎng),而且當(dāng)復(fù)誦的信息傳送到聲韻存放的過(guò)程中,因?yàn)樽志涞穆曇舯舜讼嘟?以致于字句的辨識(shí)受到干擾而影響到背誦的速度。為了加速完成此任務(wù),有人可能會(huì)采取分段復(fù)誦的方式,也有人可能會(huì)采取漸增式復(fù)誦的方法或者會(huì)用聲音語(yǔ)意關(guān)聯(lián)法來(lái)復(fù)誦,采用的方法可能因人而異,但是聲韻回路所使用復(fù)誦的基本原則并沒(méi)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, 并不是所有的人都是使用聲韻回路部門(mén)來(lái)記住密碼的, 在一群平均13歲左右的初中一年級(jí)學(xué)生里做上述的實(shí)驗(yàn),?僅有極少數(shù)的學(xué)生(200位學(xué)生中占1％)是利用計(jì)算機(jī)數(shù)字鍵盤(pán)如圖5，以數(shù)字順序的軌跡來(lái)記住密碼, 而不是一般在心里或口中默唸的方式來(lái)幫助記憶的。

再仔細(xì)觀察利用此記憶方式的人會(huì)發(fā)現(xiàn), 在記憶數(shù)字順序的過(guò)程中, 有些人會(huì)出現(xiàn)手指輕輕跟著滑動(dòng)的現(xiàn)象, 有些人則是出現(xiàn)頭部輕輕擺動(dòng)的現(xiàn)象, 另一部分人則出現(xiàn)眼珠跟著軌跡移動(dòng)的現(xiàn)象。

此種方式涉及了視覺(jué)空間記憶, 也就是工作記憶模型中視覺(jué)空間素描板的部分。詳細(xì)情形只要我們實(shí)際做一次實(shí)驗(yàn)就會(huì)明白其中的奧秘。 等一下底下的影片會(huì)有一組按鍵, 請(qǐng)記下手指指向按鍵的順序, 準(zhǔn)備好了就可以開(kāi)始按視覺(jué)記憶測(cè)試1。

相信記住這組4個(gè)按鍵的順序位置絕對(duì)不會(huì)難倒你的, 但是視覺(jué)空間記憶也一樣, 在同一時(shí)間內(nèi)同樣只有5-9個(gè)數(shù)量的記憶限制, 個(gè)數(shù)多的話會(huì)增加記憶的困難度, 不信試試記住底下這組按鍵的順序, 準(zhǔn)備好了就可以開(kāi)始按視覺(jué)記憶測(cè)試2。

第二組按鍵順序,如果沒(méi)辦法看一次就記住是很正常的, 因?yàn)橹暗氖軠y(cè)者平均都看了2-3次才將按鍵的順序記下。為什么剛剛記憶的過(guò)程中有人會(huì)輕輕的以手指滑動(dòng)這些方法來(lái)幫助記憶? 首先, 我們先來(lái)了解我們視覺(jué)運(yùn)作的方法。 當(dāng)我們的頭頸保持不動(dòng)的姿勢(shì), 兩眼自由游動(dòng)會(huì)形成眼前的一片雙眼視野。(如圖6) 左半邊的視野視訊會(huì)進(jìn)入右半邊的初級(jí)視覺(jué)皮質(zhì), 而右半邊的視野視訊則會(huì)進(jìn)入左半邊的初級(jí)視覺(jué)皮質(zhì)。

圖6. 取材自網(wǎng)絡(luò)

視野內(nèi)的影像訊息在大腦內(nèi)的傳送路徑: 先進(jìn)入視網(wǎng)膜--> 視神經(jīng) --> 外側(cè)膝狀體 --> 初級(jí)視覺(jué)皮質(zhì)。所有視野的影像訊息集中進(jìn)入視覺(jué)初級(jí)皮質(zhì)之后會(huì)分成兩路, 其中有一路往頂葉方向走稱(chēng)為背側(cè)通道(Dorsal Pathway), 另一路往顳葉方向走稱(chēng)作腹側(cè)通道(Ventral Pathway)。(如圖7)當(dāng)視野內(nèi)的視覺(jué)信息匯集到初級(jí)視覺(jué)皮質(zhì)時(shí), 有關(guān)視野內(nèi)物體的動(dòng)作、方向、速度和位置等信息會(huì)整合到V2視覺(jué)區(qū)、V3視覺(jué)區(qū)及內(nèi)側(cè)視丘枕(Inferior Pulvinar)經(jīng)由背側(cè)通道再傳送至V5視覺(jué)區(qū)。V5視覺(jué)區(qū)又名中顳區(qū)(MT)專(zhuān)職移動(dòng)目標(biāo)的信息之分析, 也負(fù)責(zé)3D移動(dòng)信息的解析。這些信息再透過(guò)背側(cè)通道傳遞至后頂葉皮質(zhì)(Posterior Parietal Cortex), 此處不僅是掃視標(biāo)的空間位置的記憶暫存, 而且與選擇第一個(gè)自主眼動(dòng)的目標(biāo)地點(diǎn)有關(guān)。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)所采用的是目標(biāo)導(dǎo)向(Goal-directed visual attention)視覺(jué)注意力(*注1), 因此當(dāng)手指按鍵的視訊出現(xiàn)時(shí), 視訊是被傳送到后頂葉皮質(zhì), 手指在視覺(jué)空間素描板的位置一旦被確認(rèn)后, 大部分的視覺(jué)注意力也被啟動(dòng), 接下來(lái)視訊會(huì)被傳送到額葉眼動(dòng)區(qū)(frontal eye field), 然后啟動(dòng)一個(gè)自主眼動(dòng)訊號(hào), 將目光移至手指的按鍵位置。

此時(shí)大腦內(nèi)部有關(guān)按鍵順序的視覺(jué)素描板于是形成, 雙眼的視野就是那塊素描板(視覺(jué)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復(fù)的寫(xiě)入素描板內(nèi)(每一次的視野紀(jì)錄就是模型中的視覺(jué)暫存), 大腦內(nèi)部的那塊看不見(jiàn)的素描板就會(huì)由模型的內(nèi)部復(fù)寫(xiě)器記錄下每一個(gè)按鍵在視覺(jué)素描板內(nèi)的出現(xiàn)順序與相對(duì)的空間位置(實(shí)際的情形如圖9)。當(dāng)然圖8的素描板模型并不十分完備, 譬如此模型只能針對(duì)與觀測(cè)者保持一定距離的視野平面, 無(wú)法表達(dá)目標(biāo)物做靠近或遠(yuǎn)離觀測(cè)者(受測(cè)者)的運(yùn)動(dòng)軌跡, 或許這也是為什么Alan Baddeley教授沒(méi)有完成工作記憶模型中視覺(jué)空間素描板的原因之一。

在同一時(shí)間, 當(dāng)視野內(nèi)的視覺(jué)信息匯集到視覺(jué)初級(jí)皮質(zhì)V1時(shí), 會(huì)有另一路的視訊是走腹側(cè)通道, 視訊的內(nèi)容包含視野內(nèi)物體的特征、顏色、形狀及大小等信息。信息首先會(huì)整合到V4視覺(jué)區(qū), 再經(jīng)由腹側(cè)通道到達(dá)顳葉皮質(zhì)下側(cè), 走此通道的目的主要是辨識(shí)物體是何物。

圖7. 取材自網(wǎng)絡(luò)

圖8. 取材自網(wǎng)絡(luò)

那么剛剛視覺(jué)記憶的過(guò)程中, 眼珠跟著軌跡移動(dòng)的現(xiàn)象其實(shí)是在重復(fù)視覺(jué)素描板內(nèi)部復(fù)寫(xiě)器的復(fù)寫(xiě)順序, 以此來(lái)達(dá)到延遲記憶(視覺(jué)空間復(fù)誦)的目的。如果以fMRI大腦功能性核磁共振顯影技術(shù),檢視受測(cè)者在執(zhí)行延遲記憶時(shí)大腦的變化, 會(huì)發(fā)現(xiàn)背側(cè)額頂葉系統(tǒng)Dorsal Frontoparietal System,也就是額葉眼動(dòng)區(qū)FEF與頂內(nèi)溝Intraparietal Sulcus這兩個(gè)區(qū)塊特別活躍(如圖10)。

取材自https://images.nature.com/full/nature-assets/nrn/journal/v3/n3/images/nrn755-f3.gif

*注1: 視覺(jué)選擇性注意力有兩種, 目標(biāo)導(dǎo)向Goal-Directed與刺激驅(qū)動(dòng)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.