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第三章
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短时记忆的功能是什么？我们希望工作记忆的研究来回答这个问题。
——Baddeley A.D.
工作记忆（Working Memory）的概念由Baddeley等人于1974年提出，用来描述暂时性的贮存与加工过程。这种形式的信息加工和贮存方式在许多复杂的认知活动中，如推理、语言理解、学习和心算等，都起着非常重要的作用。目前对于工作记忆的研究很多，不同领域的研究者从各自不同的角度对工作记忆的基本理论模型及其在实践中的应用进行了探讨。本章将从工作记忆概念的提出和演进、工作记忆模型的构成以及神经心理学证据几个方面进行介绍和论述。
第一节 工作记忆概述
本节将从工作记忆概念的提出和演进入手，分别介绍工作记忆理论模型的各组成成分和相应的功能，以及一些来自神经心理学方面的证据。
工作记忆概念的提出主要源于对短时记忆系统特性的研究。有关短时记忆的特性，认知心理学已有许多探讨。短时记忆现象早在Ebbinghaus的实验研究中就有所涉及。Ebbinghaus（1885）在无意义音节的系列学习中发现，当每个音节只学习一次时，人们通常可正确回忆出7个音节。这其实就是短时记忆现象。但是他对这个结果的深层意义没有深掘，也并未把它与长时记忆区分开来。20世纪四五十年代，由于工程技术发展的需要，心理学家开始注意到这种容量有限、保持短暂的记忆现象——短时记忆。后来随着认知心理学的兴起与蓬勃发展，继Ebbinghaus的《论记忆》（1885）之后，William James出版了《心理学原理》（1890）一书。其中，他根据某些内省资料和意识经验提出了记忆的二分说，认为记忆包括初级记忆和次级记忆。与此同时，认知心理学的研究认为，短时记忆系统和长时记忆系统遵循着不同的工作规则。如短时记忆是以语音、声学和听觉为基础编码，而长时记忆则以语义为基础编码；短时记忆的遗忘是由于记忆痕迹的消退，而长时记忆的遗忘则是由于干扰等等。来自神经心理学的一些研究成果也为记忆二分说提供了证据（Miller, 1966；Baddeley & Warrington, 1970）。这些研究结果最终促成l968年Atkinson和Shiffrin提出了颇有影响的记忆三级加工模型。在此模型中，Atkinson以能量有限的注意系统为基础，构建了一个单独的能量有限的短时记忆系统，它有多种功能，不仅可以在一段较短的时间内保存信息，还可以作为继续加工已获得信息、控制流程和作出决策的工作空间。
虽然记忆三级加工模型得到了随后许多实验数据的证实，但是到了20世纪70年代早期却遇到了挑战。首先，它的基本假设是，长时记忆是材料在短时记忆中保持时间长度的直接函数。但一些研究表明，仅仅在短时记忆（STM）中复述信息并不能保证信息进入长时记忆（Craik & Watkins, 1973），由此，Craik和Lockhart提出了加工水平说，认为记忆痕迹的持久性是加工深度的函数。这是三级加工模型遇到的第一个困难。其次，来自神经心理学的研究结果也对此模型提出了疑问。根据该模型，STM对学习来说是一个关键的工作记忆系统，如果STM受损，必将给学习带来困难。但是Shallice和Warrington（1970）发现，STM有缺陷的病人虽然数字记忆广度有所下降，但仍能进行正常的长时学习，而且在日常生活中的一般认知能力也没什么缺损。这种现象用记忆的三级加工模型无法解释。基于这些疑问，Baddeley等人（1974）提出了工作记忆模型。工作记忆模型继承了三级加工模型的部分观点。比如，它也认为在STM中可以进行大量的加工与决策，但和三级加工模型不同的是，它认为STM不是一个单独的系统，而是一个由很多独立的成分组成的复杂系统，即工作记忆分为视觉空间模板、语音环和中央执行系统三个部分。其中，中央执行系统是工作记忆的核心，此结构具有通用资源，可以在语音环和视觉空间模板两个子系统中储存信息。有关此模型的内容本章稍后将详细论述。
继Baddeley和Hitch于1974年提出工作记忆模型之后，许多研究者继而开展了有关工作记忆系统的研究，其中有不少研究结果有力地支持了这个模型。但随着研究的拓展与深入，也得到一些不利于该模型的结果。例如，一些研究表明，该模型虽然可以解释人们在处理不熟悉任务时的操作，但是却无法解释人们在复杂任务中的熟练加工。Ericsson和Kintsch（1995）就指出，如果采用Baddeley对工作记忆的定义和相应的机制来解释所有的工作记忆现象，就会出现两个问题：（1）一些领域的专家，或者普通人，在从事非常熟练的认知活动时通常表现出非常广的工作记忆容量，这以目前各种测量工作记忆容量的方法是否能够测量？（2）非常熟练的认知活动被中断后，无需很大的努力即可迅速恢复，这种现象是否能用短暂储存的工作记忆来解释？为此，他们将长时工作记忆概念引入工作记忆研究领域，并指出工作记忆是认知加工过程中随信息的不断变化而形成的一种连续的工作状态，其中除了暂时贮存信息的短时工作记忆（Short Term Working Memory）外，还存在另外一种机制，即基于长时记忆的、操作者可以熟练使用的长时工作记忆（Long Term Working Memory）。长时工作记忆中的信息可以稳定地、较长期地保留，同时又可以通过短时工作记忆中的提取线索，建立一个短暂的提取通路。因此，长时工作记忆中的信息可以进行快速的、动态的更新，而不是像传统理论那样，假定长时记忆中的信息都是相对固定的，提取和贮存的速度较慢。根据长时工作记忆的概念，就可以方便地解释熟练操作者在他们已获得知识和特殊记忆技能的活动中扩充工作记忆的能力。而且，信息在长时工作记忆中的贮存还意味着，工作记忆中存在可访问的多种形式的信息，这些信息在熟练活动被中断后仍将保留在长时记忆中，所以若再次激活必要的提取线索，就可以容易地恢复。因此，长时工怍记忆实际上是一种人们从事非常熟悉的认知活动时所表现出来的、对于长时记忆中信息的快速可靠的提取和贮存的能力。这种能力可通过训练或长期实践而获得。但是由于短时记忆中保存了长时工作记忆运作所必须的提取结构，因此长时工作记忆必须得到短时工作记忆的支持才能有效地发挥作用。也就是说，短时工作记忆是长时工作记忆的前提和基础。
目前，随着研究工作的进一步开展，人们对工作记忆的认识不断深化和精细化。这些研究基本上仍是以Baddeley的模型为基础进行不断丰富和发展，所以在此仍有必要弄清Baddeley工作记忆模型的内容，以后才能在此基础上将其不断完善。
Baddeley等人的工作记忆模型将工作记忆分成三个部分（见图3–1）：视觉空间模板（Visual Spatial Sketchpad）、语音环（Phonogical Or Articulary Loop）和中央执行系统（Central Excutive System）。其中视觉空间模板负责视觉信息的保持和控制；语音环负责操作以语音为基础的信息；中央执行系统负责协调各子系统之间的活动，且与长时记忆保持联系。它们分别具有各自的结构与功能。
图3–1 Baddeley和Hitch的工作记忆模型
（资料来源：Baddeley & Hitch, 1974）
中央执行系统是工作记忆模型的核心。它是一个能量有限的系统，负责各子系统之间以及它们与长时记忆的联系，也负责注意资源的协调和策略的选择与计划。中央执行系统是一个非常复杂的实体，可以分成一些独立的功能元素。为了说明中央执行系统的性质，Baddeley（1986）的工作记忆模型中汲取并结合了Norman和Shallice（1986）关于注意控制模型的一些内容。在这个模型中，许多认知加工活动由现存的图式启动，而这些图式的激活又依赖于内部建立的优先等级和环境中的线索，一旦两者均满足条件，图式就自动激活。
要考察中央执行系统的功能，操作起来很困难。因为工作记忆系统常常是作为一个高度整合的系统来运作的，所以无法用通常的双任务范式来研究它。目前使用的一种研究方法是“随机生成任务”（Random Generation Task）。此任务要求被试想象所有的字母或数字都放在一个容器中，然后从中一次取出一个字母或数字，说出名称，再将其放回容器，摇匀后再取，这样就可以产生一个完全随机的序列。以生成随机字母为例，通常若要求被试生成字母的速率低，则被试所产生的序列随机化程度就高。若要求生成的速率加快，则随机化程度降低，会出现一些诸如AB、XY、BBC、USA之类的字母序列。这种现象可以用上述模型的机制来解释。字母的连续生成受到先前存在的图式控制，使人们倾向于产生那些符合字母表顺序或习惯用语之类的字母序列，但这与指导语——生成随机序列——的要求正好相反，所以需要通过对管理系统的不断干预，打破人们向原型图式靠拢的倾向，进而产生新的提取策略。如果要求生成字母的速率加快，那么注意管理系统干预的概率就会降低，生成字母序列的随机化程度也就随之降低。因为“随机生成任务”会对工作记忆的中央执行系统造成负荷，且操作起来方便，所以研究者常将它作为一项次级任务用于多项研究。但值得一提的是，随机生成任务仍未能对中央执行系统和其余子系统的分离提供令人信服的证据，因此近来研究者们仍在这方面进行着努力。例如，Morris（1990）使用活动记忆任务（Running Memory Task）对现时记忆（Updating Memory）的研究，为分离中央执行系统和语音环的功能提供了启示。该研究发现，无关言语和发音抑制影响了活动记忆中的系列回忆成分，但对其现时成分无影响。也就是说现时记忆的操作独立于无关言语效应和发音抑制效应。这样就可以将中央执行系统和语音环的功能分离开来。该实验结果还显示，中央执行系统的运作与工作记忆实时加工（Real Time）的动态方面有关，它可以快速执行一些实时操作，使负荷不至于过载；或者可以在操作后迅速恢复，以满足实时加工的要求。
因此，在一些加工任务中，中央执行系统可以和工作记忆的其余各子系统结合在一起，发挥其协调主导作用；在另一些加工任务中，又可以与其余子系统分开，独立发挥作用。它可以像一个指导机构一样运作，选择策略，还能整合多方面的信息；也可以像一个独立的工作站，不依赖外界、自主独立地完成某些工作。基于中央执行系统的这些特点，Alzheimer症病人常被认为是工作记忆的中央执行系统功能存在缺陷。在一项研究中，要求正常的老年被试、青年被试与Alzheimer症病人操作两项记忆任务，一项是视觉跟踪任务，另一项是言语记忆任务，并且对每项任务的难度进行调整，使得Alzheimer症病人的错误率与控制组一样。当要求被试同时操作两项任务时，老年组与青年组无显著差异，但Alzheimer病人组表现出明显的缺陷。而且随着病情的发展，病人在单独的跟踪与记忆任务上仍保持原状，但同时的双任务操作水平迅速下降，这可能是由于病人的中央执行系统的功能损坏得更加严重所致。这样就从另一个侧面反映了中央执行系统的协调整合功能。
有关中央执行系统的研究已经成为当前工作记忆研究的一个热点，一些新近的研究成果将在本章第二节中详细介绍。
语音环负责以声音为基础的信息的贮存与控制。该子系统由两部分构成。一部分是语音贮存，能保持语音信息l至2秒，其中的项目均由语音结构来表征；另一部分是发音控制加工（Articulatory Control Process），类似于内部语言，通过默读重新激活消退着的语音存贮表征来防止贮存的衰退，相当于一种巩固措施。而且发音控制加工还可以将书面语言转换为语音代码贮存在“语音贮存”中。语音环是记忆广度的基础，其中保留的项目数是记忆痕迹消退速率和由默读复述重新激活速率的复合函数。另外，语音环对言语理解、词汇获得和语言学习还具有辅助作用。
语音环的语音贮存结构可以由语音相似效应（Phonological Similarity Effect）和无关言语效应（Irrelevant Speech Effect）来证明。所谓语音相似性效应是指Conrad（1964）发现的语音混淆现象。Conrad的实验发现，自由回忆中产生的错误是以听觉特征而不是以视觉特征为基础的。语音相似性效应可以用语音贮存中语音特色信息的消退来解释。因为语音环子系统是依赖语音进行编码的，所以若项目间发音相似，则富有特色的语音特征就很少，所以容易混淆和遗忘。另外，语音贮存还可以从无关言语效应中得到支持。所谓无关言语效应是指由于听觉信息输入的强制性，向被试呈现无关言语信息会强制进入语音贮存，从而破坏记忆痕迹（Colle et al.，l976；Salame & Baddeley, 1982）。对无关言语效应的进一步研究表明，无关言语效应的大小与材料的意义性无关，这说明该系统对语义因素不敏感，主要是语音贮存。而且另一项研究表明，噪音的呈现并不破坏操作，所以无关言语效应也不能简单归因于干扰。这些实验结果表明，无关言语效应的产生可以归因于语音环结构中的语音贮存。由此可见，语音相似性效应与无关言语效应支持了语音成分的存在。
语音环结构中的另一成分——发音控制过程——可以由词长效应（Word Length Effect）来证明。词长效应是指当组成的单词长度增加时，记忆广度下降的一种现象。根据工作记忆模型，一个单词越长，发音就越长，复述也就需占用更长的时间。这样，在给定的时间内，复述次数就会减少，那么回忆时记忆痕迹消退的可能性就会更大（Baddeley et al.，1975；Cowan, 1984）。由此可见。发音控制是语音环结构中的一个重要成分。而且，许多实验证明如果抑制默读发音（Articulatory Suppression），那么词长效应就会消失（Baddeley et al.，l975；Ellis & Hennelly, 1980；Vallar & Baddeley, 1982）。另外，在语音环中，以听觉形式输入的信息可以自动地以语音的形式保存，如果以非听觉形式输入的信息也要在语音环中保存的话，那么就必须将其重新通过编码转换成语音形式。这种转换过程已经在由发音抑制对视觉记忆和听觉记忆的不同影响中得到证明。若记忆材料是视觉呈现的，则发音抑制程序可以清除语音相似性效应；若记忆材料是以听觉形式呈现的，则语音相似性效应依旧（Vallar ＆ Baddeley, 1982）。这就证明视觉输入的信息要依赖默读复述才能在语音环中获得表征，从而证明了发音控制加工的转换编码功能。
从上面的论述可以看出默读复述（Subvocal Rehearsal）的重要性，它与词长效应、表征转换都有关，而且影响语音环功能的发挥。那么它的心理机制和过程又如何呢？Baddeley（1974）认为它是一种默读发音（Subvocal Articulation），是一种特殊水平的发音活动，虽不执行发音动作，但与控制和启动那些发音的抽象导向结构相对应。神经心理学方面的研究也为此提供了证明。Baddeley和Wilson（1985）研究了病人G.B的短时记忆技能。虽然他在19岁时因脑伤完全丧失了控制发音肌肉来产生语音的能力，但他在视觉、听觉材料的即时回忆中出现了词长效应。根据工作记忆的模型，这种现象的出现表明他仍能进行复述，证明了默读复述与外部发音活动无关。G.B虽不能发音，但他已获得了建构和执行抽象发音指令的技能。由此表明，复述也许与言语活动的计划有关。Waters（1992）的一项研究证明，外部发音正常而言语活动计划能力受损的病人没有默读复述。由此可见，默读复述至少涉及抽象指令和言语活动计划两部分。在基本的语音环结构上，它作为一种策略性的发音控制加工，提高了语音环的功能，并且通过不断刷新语音贮存中的表征来保持项目的激活水平。
虽然语音环与外部言语活动无关，但是它在言语获得中扮演重要角色。在一项研究中，让一位纯语音记忆缺失的病人学习母语中的配对词（如house—dog）。结果被试在母语配对学习中表现正常，而在母语与外语配对——这种需要新语音学习的任务中表现出学习困难（Baddeley et al.，l988）。后来进一步的研究结果显示，若对正常被试进行发音抑制，那么抑制不影响正常人母语的配对学习，但影响了他们的外语学习（Papagno et al.，1991）。这些研究成果都证明语音环在言语获得中具有举足轻重的作用。通过一项非词重复测验（Nonword Repetition Test）和词汇测验的相关研究发现，儿童4岁时的非词测验成绩能很好地预测其5岁时的词汇量。但用词汇测验来预测儿童在非词测验上的表现却没有前项预测理想。这似乎意味着在此年龄阶段，非词重复的能力是言语发展的动力。从更广的意义上说，语音环参与了基本听觉与言语产生机制的发展（Gathercole et al.，l989，1993），而听觉和言语产生机制正是言语获得的工具。所以，语音环功能缺失对语言获得初期的儿童比对成人的影响更大。
视觉空间模板主要处理视觉空间信息，信息可以直接或间接地进入该模板。例如，当人观看一只狗时，信息就直接进入了工作记忆的视觉空间模板；如果人们从记忆中想象产生一只狗的表象，那么此时信息则间接地进入了视觉空间模板。视觉空间模板子系统对空间任务的计划和在地理环境中的定向具有重要的意义。一些双任务操作的研究结果显示，若要求被试用言语编码或者用视觉空间编码来识记材料，就会发现同时进行的发音或言语活动干扰了其中一个系统，而视觉或空间活动干扰了另一个系统。这说明，工作记忆中确实存在视觉空间模板这样一个独立的子系统。例如，给实验组传授以空间位置为基础的视象记忆术，结果他们对词表的记忆优于仅仅采用复述程序的控制组被试。但是当要求两组被试均用探棒跟踪一个运动的光点时，两组被试记忆成绩上的差异消失了（Baddeley & Lieberman, 1980）。由此证明了工作记忆中视觉空间模板的存在。
视觉空间模板可能包含两个元素：一个是视觉元素，与颜色形状有关；另一个是空间元素，与位置有关。视觉和空间元素之间是否分离，目前的研究尚未得出一致的结论。来自神经心理学的证据证明，视觉编码与空间编码之间出现了分离，双侧枕叶（Bilateral Occipital）与编码的视觉方面关系更紧密，而空间表征则更依赖于外周区域和额叶成分。但是也有相反的证据，例如，Jonides等人（l993）的PET扫描结果显示，所有这些部位都与视觉工作记忆有关，这就对视觉和空间元素的分离提出了质疑。
从发展的角度看，视觉空间模板对幼儿的工作记忆更为重要。有研究表明，虽然儿童在4岁时语音环已发展完好，但八九岁以下儿童的短时记忆仍主要依靠视觉图像的信息。例如，Hitch（1989）等人的研究发现，若呈现给年幼儿童一些视觉上很相似但发音明显不同的图片，并要求他们识记，结果与控制条件相比，他们的操作成绩差得多。但是，若呈现给他们一些发音相似而视觉差异很大的图片时，他们的操作不受影响。而年纪稍大的儿童却表现出相反的模式。因此，年幼儿童这种依赖视觉刺激的特性反映出他们此时的工作记忆系统中语音环子系统尚处于较低的发展水平。或者说，从发展的角度看，视觉编码比言语编码的发展具有优先性。
值得注意的是，研究者们为了证明视觉空间模板子系统的独立性而采用的干扰范式（Interference Paradigm）为后来人们在工作记忆领域的研究提供了一种良好的研究工具。干扰范式是双任务操作的一种发展，主要比较被试在没有干扰与有不同类型干扰的条件下，主任务操作表现上的差异。一般来说，被试会表现出领域特异性干扰（Domain Specifi c Interference）。当次级任务是言语任务时，它选择性地干扰言语记忆而不干扰空间记忆；当次级任务是空间任务时，它选择性地干扰空间记忆而不影响言语记忆。更为关键的是，由于次级任务具有选择性，那么它就不仅仅是潜在地干扰主任务的编码工作，而且激发了被试对主任务信息的自动编码，因而更具有说服力（Hale et al.，1996）。Logie、Zucco和Baddeley（1990）正是利用这种特异性干扰效应为工作记忆中的两个独立成分的存在提供了强有力的证据。现在，此研究范式也被用于工作记忆其他方面的研究，如工作记忆中央执行系统资源的分离等（Shah et al.，l996）。
通过以上论述可以看出，工作记忆虽然只持续短暂的几秒，但它对信息的贮存与加工，对语言、思维、推理、决策，甚至行为组织都具有重要的意义。而工作记忆功能的发挥需要依赖脑部各分散区域的协调与合作，并且，不同的脑部工作区域分管不同性质的记忆任务。例如要求记忆物体、要求记忆位置和要求记忆单词的脑部工作区域都不相同。近期的研究表明，皮质的额叶部分与工作记忆密切相关。此区域不仅可以保持工作记忆中的数据，还能在推理活动中起到协调各感觉区域的作用。
电生理学的研究已为工作记忆的存在提供了部分证明。Fuster（1971）的研究发现，储存物体位置的短时记忆很可能定位在额叶皮质（Prefrontal Cortex）。在他的实验中，使用猴子作为被试。首先给猴子看左右放置的两个完全一样的物体，然后在其中一个放上一片苹果作为强化物。然后，主试将两个物体藏起来60秒后再次呈现给猴子，结果发现它能记住先前放上强化物的物体。研究者们发现，当物体移开时，猴脑额叶前部的边缘部位开始放电，而此时正是猴子记忆哪一个物体上有强化物的时刻。但是，此实验结果遭到了一些研究者的质疑（Funahashi et al.，l989）。他们指出猴子可能在物体移开后一直将眼睛盯在原来有强化物的地方，所以神经元的活动只是反映了对目标物的注视，而不能说明它与工作记忆的关系。为此，耶鲁大学的研究人员又开展了另一项实验。他们首先训练猴子盯住电视屏幕中央的一个点，使猴子用其边缘视觉注意在屏幕上短暂闪现的方块的位置。结果延迟几秒后，猴子将目光移向曾经出现过方块的地方，这表明它记住了方块的位置。研究人员发现，在延迟的这段时间内，Fuster等人发现的那些额叶前部的细胞处于放电状态。这表明，在眼睛移动之前，猴子已贮存了空间位置的信息；而且对于不同的位置，发生反应的细胞群也不同。这项实验结果为工作记忆的存在提供了电生理方面的证据。
前面已提及，工作记忆可以分为中央执行系统、语音环和视觉空间模板三部分，而视觉空间模板又可能包含视觉元素和空间元素两部分。在20世纪80年代，就有研究发现额叶皮质与大脑的感受区域之间的联系，这些感受区域为工作记忆提供了用于保持的资料。1993年,Wilson等人通过测量与不同视域有关的额叶区域神经元的活动，探明了额叶皮质中与物体识别的工作记忆和与空间位置的工作记忆有关的部位。但是，她认为并不存在一个能提供各项服务的统一的中央执行系统，而是存在许多平行系统，每个系统都有一个自己的中央加工器。
1996年，来自脑成像技术的研究表明，在人脑中也存在类似的划分，虽然所涉及的额叶区域与猴子不尽相同。Susan等人利用PET技术发现，人类用于识记脸部特征与识记位置的工作记忆分别位于额叶皮质的不同区域。这些研究为工作记忆系统的细分提供了神经生理学的证据。
虽然已有研究表明，人脑的工作记忆有分离的空间回路、物体回路和言语回路，但是它们在额叶的分离也不是绝对的。因此，与前面所述着重探索额叶皮质细分功能的研究取向不同，另一些研究者着重研究额叶皮质的整合功能。Petrides（2000）发现前皮质的46区，虽然在猴子身上只与空间任务有关，但对人类被试来说，它可以加工任何一种类型的工作记忆信息。就近期的研究成果来看，额叶的功能至少可以概括为两点：贮存与执行。
一些研究显示，额叶皮质负责贮存在线的数据（Online Data）。它的激活水平依靠工作记忆所持有的信息量。Cohen（1997）等人利用核磁共振技术记录了被试在记忆字母名称与序列时神经元的活动情况。结果表明随着要求记忆的序列长度从一增至三，前额叶皮质46区的活动量也在平行增加，这说明这部分皮质将名称与序列的信息保持在工作记忆中。而且，仅就工作记忆而言，额叶皮质发挥的作用比脑后部一些区域的作用更为重要。Desimone和Miller（1994）的一项研究为这种观点提供了证据。他们测量了猴脑保持一张图片时，位于脑后部的颞叶皮层（Temporal Cortex）细胞的活动情况，因为此区域与物体识别的工作记忆有关。正如所预期的那样，当图片从视线中消失后，这部分细胞开始活跃起来。但是当给猴子呈现一个新的分心刺激时，这些细胞的活动受到了抑制。令人奇怪的是，此时猴子仍表现出了对刺激的记忆。很显然，这种记忆不是颞叶皮层细胞活动的结果。研究者们的进一步探索发现，负责此时记忆的细胞位于额叶皮质区。当猴子盯住分心图片时，额叶皮质区的细胞显示出与记忆有关的持续活动。所以，额叶皮质在工作记忆中起着重要的作用。
除了上述功能外，额叶皮质还具有部分执行功能（Executive Function）。从对额叶损伤病人的研究结果来看，这些病人在工作记忆的执行功能上表现出严重的困难，如他们无法从事计划、组织活动，而且容易分心或者无法转移注意。脑成像的研究结果显示，额叶前部46区是计划与注意活动的关键区域。Quintana 和Fuster（1992）发现，猴脑的额叶前部46区的一部分神经元的活动在刺激呈现反应发生之前呈上升趋势，而额叶皮质的另一些对颜色反应的细胞活动却在此期间呈下降趋势。因此，他认为前一组细胞是执行计划操作的神经基础，而后一组细胞是进行记忆活动的神经基础。D'Esposito等（1995）的研究为额叶皮质的执行功能提供了更直接的证据。他要求被试操作两项简单的任务：一项任务是单词类别判定，另一项任务是心理旋转（先给被试呈现两个方块，要其经过心理操作，判断哪一个和第三个方块匹配）。当被试分别完成两项任务时，额叶皮质没有任何活动。但是当要求被试同时操作两项任务时，额叶前部皮质46区的细胞立即活跃起来。这表明此区域细胞负责在双任务协调中对注意快速转换的控制。
综上所述，额叶皮质在工作记忆中扮演了重要角色，它既要保持相关的信息，又要进行复杂的加工。为此，它必须与贮存使用短时信息的感受区域协调工作。额叶皮质将信息输入工作记忆，激活工作记忆中已贮存的信息，并利用它们来选择一个个相应的反应。今后，随着脑成像技术的发展，人们一定会进一步探明额叶皮质在工作记忆中的各种细化功能，并了解它是如何与脑后部区域协调工作并在工作记忆中发挥作用的。
到目前为止，有关工作记忆的定义虽然在各研究领域中有所不同，但有一点已得到公认，即它是操作高级认知任务时所必需的一种暂时的信息贮存与加工，在言语理解、心理旋转、推理等认知操作中具有重要的作用。因此，近年来它与内隐记忆、自传体记忆一起成为记忆研究领域的三大热点。我们相信，今后，随着认知心理学、人工智能、神经科学及脑成像技术的发展，工作记忆将会得到更加深入的研究，理论模型会日趋成熟、精确与完善，对记忆领域的研究乃至整个认知科学的研究也将会作出更大的贡献。
第二节 中央执行系统
从Baddeley和Hitch（1974）提出工作记忆模型至今的20多年来，有关工作记忆的研究有了很大进展。但是对于三个子成分的研究，无论是在数量上，还是在对结果的解释上，都存在着明显的不平衡。最简单的是语音环，因此对它的研究也最多；对于视觉空间模板的研究虽然存在困难，但由于一些研究者在探索支持视觉表象的因素，所以这类相关研究成果为视觉空间模板的研究提供了不少有价值的启发和帮助。然而，可能是由于中央执行系统比语音环和视觉空间模板两个子系统的研究相对来说更加困难，所以虽然它对人类的认知影响最大，但人们对中央执行系统的研究却最少。从20世纪80年代开始，研究中央执行系统的迫切性日益显现出来（Badde1ey, 1986）。
工作记忆模型认为，中央执行系统控制和监督着来往于语音环和视觉空间模板两上子系统之间的信息流。虽然在被动的言语和空间工作记忆任务中，额叶皮质是激活的，但是这还无法证明它就是与工作记忆的中央执行系统有关的脑区。通过运用功能性磁共振成像技术（functional Magnetic Resonance Imaging，简称fMRI）检查大脑在双任务操作时的激活状况，人们推测额叶与工作记忆中的中央执行系统有关。
D’Esposito（1995）的一项实验运用fMRI技术对比研究了6个正常的右利手被试（3男3女，年龄22—28岁）在双任务操作和单任务操作时大脑的激活情况。为了检验额叶皮质背外侧是否与双任务操作有关，研究者选用了两个相互独立的非工作记忆任务。一个是语义判断任务，一个是空间旋转任务。语义判断任务要求被试在一些听觉呈现的单词表中识别目标种类的样例。空间旋转任务要求被试识别哪两个图形中圆点的位置相同。先前的fMRI研究表明，这两项任务显著激活了后脑区。D’Esposito发现在单任务操作条件下，语义判断任务的平均精确度为93%，空间任务操作为95%。但双任务条件下，语义判断任务操作的精确度下降了5%左右，空间任务操作的精确度下降了4%—ll%。与基线值相比，空间旋转任务显著提高了双侧高级顶骨区域（Brodmann区，BA7）和外围枕骨区域（BAl9）的激活；语义判断任务中显著高于基线值的激活只限于两半球高级颞叶回的最后部区域和左次级顶骨小叶。在单任务操作时，没有发现额叶的激活。双任务操作与单任务相比，所有的被试两边额叶皮质背外侧（BA9和46）的激活都有显著的增加；在前扣带区（5个被试）和左前运动（Premotor）皮质（2个被试）也有附加的激活。当一个任务在双任务条件下去除以后，与第二个单独任务联系的脑后区的激活也与额叶激活一样明显。通过区域分析表明，信号强度的变化与任务类型有关。个体差异的分析显示，不同被试额叶皮质区域激活的部位不同。
为了探明双任务操作中额叶激活的增加是否仅仅由于所使用的心理资源的增加所致，D’Esposito又进行了另一项实验。他选取了6个正常的右利手的被试，让他们在难度更大的条件下操作空间旋转任务，即增加刺激频率。虽然任务难度的增加导致了脑后部区域激活的增加，但没有观察到额叶的激活。而且研究发现了在双任务操作过程中背外侧额叶皮质的恢复。以往的研究告诉我们，背外侧额叶皮质在言语和空间工作记忆时处于恢复状态。对于猿猴的研究结果亦表明，背外侧额叶皮质对工作记忆两个子系统的工作起着非常重要的作用。进一步的研究发现，背外侧额叶皮质与注意资源的分配和协调有关，这是双任务操作中恢复的、代表工作记忆中央执行系统的唯一加工。这个发现说明工作记忆中，中央执行系统和另外两个子系统成分的内部机制存在交叉的神经基质（Substrate）。但是以往对正常人和大脑损伤患者的研究均表明，中央执行系统是工作记忆中一个具有独立特性的元素，它并不等同于两个子系统。D’Esposito认为，产生这种现象的原因可能有以下几种解释：第一，以前在研究工作记忆子系统的激活时并没使用纯被动（Passive）记忆任务，可能要求了执行加工，因此，这些研究中额叶的激活可能反映了中央执行系统的功能；第二，fMRI的空间解像力不足以识别额叶的一些细节部分，这些细节部分可能服务于不同的工作记忆成分；第三，额叶皮质同样的神经细胞群在不同的动态状态下可能服务于几种不同的认知操怍。然而，额叶激活是由于工作记忆的中央执行系统加工，还是仅仅是由于双任务操作要求的心理努力的增加？为了解决这个问题，D’Esposito让被试单独操作不同难度水平的空间旋转任务。结果表明，随着难度水平提高，操作成绩下降，但是没有发现额叶的激活。因此证实，观察到的激活仅与双任务操作有关。
一些研究发现，大多数人只在双任务操作时前扣带回激活。前扣带回的激活在一些认知脑成像研究中已有报告，而且通常认为该区域是前注意系统的一部分，在竞争性的、复杂的偶然性事件中对反应的选择很重要。例如，在一项运用正电子扫描技术研究注意分散的任务中，被试必须观察一个视觉刺激的形状、颜色和速度的变化，结果前扣带和额叶背外侧皮质同样被恢复。当只选择性地注意其中一个特征时，这些区域没有被恢复。因为要求同时注意多种刺激特征类似于双任务操作，因此可能要求工作记忆的中央执行系统。这样前扣带皮质激活也与前面对中央执行系统的神经基础假设一致。而且，前扣带回和额叶皮质的背外侧在解剖结构上相互连接，这提示了中央执行系统可能由几种成分构成。这种想法在行为研究中已有表现，稍后我们将详细介绍。
D’Esposito的研究还有一个重要的发现，即额叶皮质激活区域分布的可变性。这种可变性可能反映了神经正常的被试操作双任务时不同的策略。不过此假设还需进一步证明。不同被试之间激活的可变性可能是由于个体差异造成的，因为双任务操作对中央执行系统的要求程度不同。因此，在研究这类问题时，很有必要仔细监控个体间对双任务操作提供资源的能力差异。
在介绍了中央执行系统的神经基础之后，我们再从行为层面看看它的运作机制。在研究工作记忆模型之初，中央执行系统的功能就像是一个装满碎布的垃圾袋，塞满了各种复杂而凌乱无序的策略，如选择、计划、提取和检验等。这种假设对于工作记忆初期的探索是一种明智的方法，因为这样可以使研究者先集中注意于分析较简单的子系统，如语音环、视觉空间模板等。与此同时，这也标志着对中央执行系统研究的复杂性，并预示着今后的研究方向：逐渐弄清这些复杂的功能。Baddeley（1986）模型的优点在于它将工作记忆与Shal1ice对额叶损伤病人的研究以及Norman关于误动作的研究结合了起来。然而，工作记忆模型仍然存在局限，因为该模型中中央执行系统的角色就像是头脑中的一个小矮人，它在人的头脑中以神奇的方式作出各种决策，但是其具体结构、功能和运作机制，目前知之甚少。值得庆幸的是，人们已逐渐意识到深入探讨中央执行系统的必要性，并从不同的角度展开了探索。
关于中央执行系统的研究主要有两条途径：一种是从神经心理学的角度，另一种遵循心理测量的传统。不过，最近出现了一些将两者结合起来的探索研究。在上一节已经提到，在神经心理学领域，有大量的证据显示，执行控制的异常与额叶的损伤有关（Shallice, 1982, 1988）。所以为了理解中央执行系统的加工，一种途径就是研究额叶的功能（Duncan, 1986；Shallice&Burgess, 1991, 1993）。虽然神经心理学的研究可以而且已经为中央执行系统的功能研究提供非常适宜的证据，但是却不能仅仅依赖这种方法来完善工作记忆模型。因为工作记忆模型主要是一种功能模型，即使缺乏神经解剖学的支持，它仍然存在并发挥作用。所以若以神经解剖学的而不是以功能性的定义来决定工作记忆的成分就不太合理了。再者，额叶是一个特别大的区域，拥有很多功能，其中一些功能至今尚未探明。我们很可能仅仅因为某功能定位在额叶，就误以为它是执行性的。另一方面，虽然额叶与很多执行加工有关，但是大脑的其他区域也可能和执行控制有关。如果在额叶功能以外存在中央执行器，那么很有可能因为它没有定位于额叶，即使本质上是执行性的，也被排除出中央执行加工。因此，当我们以神经心理学的角度探索中央执行系统时，必须防止根据特定的解剖位置来定义中央执行器功能概念的做法。其实，Baddeley和Wilson（1988）早就建议在神经心理学中要区分功能的概念和解剖的概念。在神经心理学里经常出现这种情况：我们称呼某病人是遗忘症，而不是说某人是颞叶或海马综合征；通常说某个病人诵读困难或者计算无能，而不是只根据假设的损坏的解剖部位来规定异常的功能。因此，一些研究者建议用执行异常综合征来代替通常所使用的额叶综合征的概念。
另一种分析中央执行系统加工的方法是研究个体差异，即心理测量学的方法。这种方法又可以沿着两条思路展开：一种是基于传统的智力概念；另一种是根据Baddeley和Hitch（1974）的假设——工作记忆同时参与了对材料的储存与控制——而采用的方法。传统的心理测量方法是基于这样一种基本假设，即智力测量反映了中央认知加工器的操作，而这种操作可以等同于工作记忆的中央执行系统。这又涉及一个基本理论问题，即智力测量应该反映能力的一般共同因素（Spearman的g因素），还是应该分解为许多因素（Thurstone, 1938）。目前，许多研究者正从正常被试（Kyllonen & Christal, 1990）、神经心理有障碍的患者（Duncan, 1986）以及正常的老年被试（Rabbitt, 1983；Salthouse, 1991）几类人员入手，对这个问题进行研究。一些研究得到了与工作记忆的概念相对应的结果，但是通过对目前所得数据的聚类分析，并没有得到一个一致的模式。同时，一些神经心理学研究显示，存在典型的“额叶”任务，但是在正常被试的身上，模式却不明显。例如，Lehto发现“额叶”任务的某些方面与工作记忆有关，但是Waters和Caplan发现，所得到的相关模式更大程度上与特定材料的类型和加工的方法有关。因此，单纯使用心理测量学的方法也无法确保人们对中央执行系统进行全面深入的探索。
通过以上的讨论可知，单纯地运用神经解剖学的方法或传统的心理测量学的方法都无法全面准确地揭示中央执行系统的功能和作用，那么今后又该如何进行这方面的研究呢？理想的做法是参照神经心理学的研究成果逐渐分离出“小矮人”的全部单项功能，然后用心理测量学的方法来研究这些功能是反映了单一控制器的各种操作，还是反映了相互作用但又各自独立的多种控制管理器的共同作用。要达到这个研究目标，尚需进行大量的研究工作。可以预计，在尽量分解各种执行加工功能的过程中，一定会不断遇到一些新的问题，对新问题的研究结果常会带来新的发现，中央执行系统的模型将会因此不断地得到完善。
在当前关于中央执行系统功能的研究中，讨论最多的是它对子系统的协调功能。起初，人们是从对Alzheimer病人的研究中发现这种功能的。因为这些患者显示出中央执行系统操作的缺失。近来研究范围有所扩大，一些额叶损害的患者也表现出同样的缺陷。中央执行系统的另一种功能是通过随机生成任务（Baddeley, 1986）发现的，它与Norman和Shallice的SAS研究有关。中央执行系统的第三种功能是它可以选择某些信息而拒绝另一些信息，对这项功能的研究刚刚起步，目前主要考察的是年龄对此种功能的影响。中央执行系统的最后一种功能是选择和操纵长时记忆中的信息。对于此项功能的研究已经成为工作记忆个体差异研究的一个重要组成部分。探讨不同的功能必须相应地采用不同的方法，概括起来分解中央执行系统功能的研究方法有四种，下面将一一进行介绍。
前面已经提到，中央执行功能的测量是从研究Alzheimer病人的记忆缺失开始的。这方面的研究结果显示该种病人不仅对长时情节记忆严重缺失，而且工作记忆的言语和视觉空间方面均有损害（Spinnler & Sala, l988）。因此研究者们认为这种情况可能反映了中央执行系统对于工作记忆两个子系统的作用相同。由于工作记忆模型中中央执行系统一个重要的功能就是协调来自两个子系统的信息，所以研究者们设计了一系列任务，让Alzheimer患者（AD）、老年被试和青年被试对反映着相应子系统的单独任务或结合任务进行操作。
在研究的第一个系列中，实验用追踪任务作为视觉空间任务，要求被试用一只光笔追随一个VDU上移动的光点。光点移动的速度可以调整，以此确保所有的被试可以拥有相同的操作水平（70%的跟踪率）。然后将这项任务与以下三项任务中的任一项结合：发音抑制（Articulatory Suppression）、声音反应时（Reaction Time to A Tone）、数字广度（Digit Span），进行双任务操作。数字序列的长度根据每个被试的数字记忆广度调整，以使操作记忆任务时被试拥有相同的错误率。实验结果显示：（1）当同时操作发音抑制时，三组被试的追踪任务操作均没有受到显著影响。但是Morris（1986）的研究显示，AD患者的操作受到显著影响，而老年被试与青年被试均不受抑制的影响；（2）当同时操作反应时任务时，AD患者的跟踪任务成绩比其余两组下降得更明显，且AD患者在RT任务中速度与准确性均受到损害，故排除了用速度—准确性权衡来解释的可能；（3）同时操作的数字广度任务对主任务的影响也显示出相同的模式，即两个控制组没有差异，而AD患者在追踪和记忆操作成绩上都表现出显著的下降。这个研究结果表明：将两种任务相结合的能力是中央执行系统的一个重要功能，而AD患者严重缺失这项功能。
但是有些研究者对于这个结果作出了不同的解释。一种观点认为，这个实验结果只说明了被试在各个操作任务上的成绩有所下降，而不能说明协调功能受到损害。为此，Baddeley给出了两条反驳的理由：（1）实验精心控制了数字广度任务和追踪任务的难度水平，使得所有被试的操作水平一样。虽然，同样的水平AD患者可能要花费更多的注意，但是任何一组被试都会将自己的注意指向当时正在操作的任务；（2）其他研究也表明，AD患者在双任务上的缺失并不出现在正常的老年被试身上。尽管随着年龄的增加，被试在各单任务的操作会有所损害，但是由于单任务的操作水平已根据年龄作出了相应的调整，因此双任务操作没有出现年龄效应。由此可见，实验分解出的的确是中央执行系统的协调功能。
另外一种质疑观点认为，AD患者操作的缺失反映的是一般能力的不足，如智力的低下，而不只是协调能力的缺失。例如，Morris（1986）指出，很多随着年龄增长所出现的认知缺失可以归因于一般智力的降低。Baddeley对这种观点也进行了反驳：第一，如果Alzheimer病症和年龄的增长均导致了一般能力（如智力）的降低并反映在双任务操作上，那么，双任务操作应该对年龄因素很敏感。但是他们的研究结果显示，双任务操作没有出现年龄效应，因此不能说AD患者操作的缺失是由一般能力的低下造成的；第二，什么是智力？对智力概念的界定涉及对智力本质的看法。许多智力测验，如WAIS、Heim的AlH或者Cattell的文化公平测验，都通过被试在一系列任务上的操作来界定智力，但是各种测验可能反映的是不同的加工过程，因此它对中央执行系统的功能研究或者AD的神经心理学研究的作用十分有限。
还有一种观点认为，AD患者操作的低下是由于任务难度太高，而不一定是由于协调能力的缺失而导致的。对此论点，Baddeley指出，双任务操作对于AD患者来说当然困难，但是对中央执行系统的研究正是要探究和预测AD将在哪一种操作上出现困难，而不应简单地将AD患者操作失败归因于任务的高难度。Baddeley还专门对此设计了新的实验来验证。
先前Yntema 和 Mueser（1960）对分类任务的研究显示，随着备择单词语义类别的增加，单词分类的时间也在增加。因此，Baddeley让AD患者和正常被试完成语义类别判断任务，考察同时呈现的类别数量对单词归类任务的影响。对于AD患者，在其刚发病和发病六个月后分别进行了一次测量。结果发现AD患者和正常被试的操作均随类别的增加而费时更长，但是正常被试在速度与准确性方面均优于AD患者。AD患者的操作随着病情的恶化而不断下降。任务难度与病情状况没有交互作用。由此可以说，仅仅增加任务难度并不能使得任务变量对病情状况更加敏感。但是这个结论与双任务操作的实验结果不一致。因为患者被试在双任务测量时，操作成绩随病情恶化而迅速下降，但是他们在单任务中的操作并不如此。这两个结果的差异可能是由于对“困难程度”的定义不同造成的。为了解决这个问题，Baddeley等人编制了一个简单的纸笔追踪测验，能够简单地进行评分，并且适用于AD患者。测验时，在一张纸上呈现了一连串0.5 cm 2 的正方形，这些正方形构成了一条不规则的路径。测试时要求被试从路径的一端开始，尽可能迅速地沿着路径依次在各个正方形中打上“×”，一直持续到路径的末尾。接着呈现第二张纸，上面的正方形数目更多，任务相同。测试的第二个阶段是运用标准的程序测量被试的数字记忆广度，然后在2分钟内持续地向被试呈现长度等于数字广度值的数字序列，记录他的正确率和完成率。测试的最后一个阶段将纸笔追踪任务与数字广度任务结合在一起，要求被试进行双任务操作，时间为2分钟。Baddeley和Sala用13个AD患者和12个控制组正常被试检验了这种方法的效度，结果发现AD患者在双任务操作上表现出缺失，而正常被试无异常。因此，这种纸笔测验可以作为一项简单的双任务操作来研究中央执行系统的功能。
虽然纸笔追踪测验比其他的双任务操作简便易行，且具有一定的效度，但是仍有一些问题有待探索。首先是这种执行任务操作的神经解剖学基础，特别是它与额叶功能的关系。Baddeley曾用这项任务研究了24个非AD神经症病人，这些病人在额叶的某些部位存在神经学上的缺陷。24个病人都经过三种方法的测量，其中两种方法与标准认知测量有关。一般认为，额叶受损的人在这些认知测量中会表现出障碍。第一个是言语流畅性测验，与从长时记忆中的搜索和提取的执行加工有关（Baddeley, 1984）。被试在连续90秒内要尽量多地生成某一特定种类的单词。结果发现，左额叶损伤的人在此项任务上成绩低劣（Perret, 1974）。第二个经典的额叶测量是Wisconsin卡片排序测验（Nelson, 1976）。在此项测验中，一套卡片包含许多可以被排序的特征，要求被试根据卡片特征的排序方式获得概念。一旦初步的概念形成后（如颜色），主试立即变换概念维度（如数量），直至测试完六个可能的概念。操作成绩根据获得概念的数目和错误数来计量。如果错误数量超过一定的范围，则预示着额叶存在某种程度的损伤。虽然我们不能通过某项测验就确定额叶的损伤状况，即测验与额叶损伤之间不存在一一对应的关系，但是这些方法已在实践领域经常使用而且被广泛接受。第三种额叶测量方法主要是研究伴随着额叶功能异常所表现出的典型的去抑制行为。一些额叶损伤的病人即使认知方面保持正常，但去抑制行为也使他们无法独立工作。通常，患者对复杂事件无法形成完整的认识，虽然可以进行常规活动，但无法学会新任务。为了诊断患者认知功能方面的缺失程度，经常要综合神经学家和神经心理学家两方面的评价来作出判断。一类专家根据被试在测试上的操作来判断其是否存在执行行为的缺失（Dysexecutive Behavior），另一类专家根据病人现存的记录独立地作出判断。实践证明，这种评价方法对24个患者中的22个均合适。Wisconsin卡片测验和言语流畅性测验表明，被试存在明显的、程度不一的额叶功能缺陷。行为评价的结果显示，行为异常的病人在同时操作纸笔追踪测验和数字广度测验时，成绩明显较差，特别反映在测验中的记忆成分。行为异常的被试在进行双任务操作时，正确率从88%下降至65%，而正常被试的操作成绩下降不明显（88%至84%）。行为正常和异常的被试在言语流畅性和Wisconsin卡片排序操作上没有显著差异。这些发现尚需进一步证实和完善。
从上面的研究结果可以看出，中央执行系统中可能存在一些子成分，它们分别对应着额叶的不同类型的功能，需要用不同的方法进行测量。具体地说，额叶损伤病人异常的、去抑制的行为可能与注意分配困难有关。由于双任务操作与执行异常症（Dysexecutive Syndrome）存在联系，因此能比言语流畅性之类的测量更好地测出执行功能。然而，言语流畅性测量更适于测量中央执行系统的其他方面。例如，它对高负荷数字广度任务灵敏度很高（Baddeley, 1984）。近期的一项研究表明，言语流畅性的操作与工作记忆广度的测量（Daneman & Carpenter, 1980）表现出高度相关。因此，两种测验可能测量了两种不同的执行加工，它们与不同的行为问题之间分别存在着对应的联系。例如，言语流畅性的损坏可能与提取问题有关，因此导致了自传体记忆的损坏。这类病人要么回忆特别困难，很难启动提取加工；要么相反，回忆很流畅，但不精确。前者导致了“动态失语症”，后者导致了闲谈症（Baddeley & Wilson, 1988）。
Alderman发现双任务操作成绩的低下与行为失调存在一定的联系。他研究了一组患有严重脑伤的病人如何通过代币制的训练方法使他们恢复正常的社会生活。在这个代币制系统中，符合社会规范的行为会受到奖励。这种方法成功地帮助了许多存在严重行为障碍的患者重新适应社会。然而，这种治疗对于有些病人没有效果。因此，Alderman使用了很多神经心理学测验对这些病人和其他病人进行了对比测量。结果发现，标准的额叶测量与行为失调（Behavioural Disturbance）只有弱相关，而双任务操作的测试成绩与代币制训练的成败存在强相关。两种来源上均显示出，不良的双任务操作绩效与行为问题存在紧密的联系。但是它们之间的中介机制尚不清楚。
双任务操作的研究方法具有很好的应用前景。在临床上，Dalrymple–Alford（1994）等人发现，Parkinson病人的双任务操作也有轻度损伤。Green等人发现，轻度AD患者在双任务操作上有着与前述模式不同的缺失模式。然而，双任务研究范式也遇到了挑战。Green等人的研究表明，AD患者在纸笔追踪任务上成绩有所下降，而记忆测验的错误率并没有升高，即两种任务上的表现出现了分离。这就对双任务操作提出了方法论上的问题——如何将两种成分统合成一个分数，以便于在不同个体之间进行比较。此问题若得到解决，就可以更加广泛地应用于临床。值得一提的是，双任务研究的结果可以证明，不同类型任务之间确实存在一种共同的能力。在刚开始的AD研究中，追踪任务不论与发音抑制、反应时还是数字广度结合，所得的实验结果一样。后来的实验显示，将跟踪任务换成纸笔追踪任务仍然能保证双任务操作对AD患者的灵敏度。Green等人发现：被试在纸笔追踪与数字广度相结合的双任务上的操作与在日常注意测验（Test of Everyday Attention）上的操作结果相关为0.49。无独有偶，TEA任务也是一种双任务操作，它要求被试搜索一个像电话号码簿一样的词表，同时听一则具体的消息（Robertson, Ward, & Ridgeway, 1994）。同样，研究结果表明这两种测验与其他执行功能的测验（如言语流畅性）之间也具有显著的相关。
总之，同时操作两种任务的能力似乎代表了执行功能的一个独立的特征。然而，要作出结论还为时过早，因为还存在速度—准确性权衡以及统计方面的问题。今后还需进一步探讨方法学上的问题。
探索中央执行系统功能的第二种方法是采用随机生成任务，它要求被试以尽量随机的顺序生成字母、数字或者动作序列（Baddeley, 1966），具体操作过程在上一节中已有介绍。利用随机生成任务得到的研究结果均显示，随机生成依赖一个能量有限的系统的运作，生成的速度越快，随机程度越小；备择的随机集合越大，生成的速度越慢。实验显示，当随机生成与卡片排序任务结合时，备择反应越多，产生的字母随机程度越低，越倾向于原型反应。虽然这个规律早已有人发现，但是其中的机制直到Norman和Shallice（1980）的模型提出后才得到解释。Norman等人认为，此种现象与两种行为控制源有关：一种是图式，它将行为导入已经学习得很好的习惯模式；另一种是注意管理系统（Supervisory Attentional System），相当于一个注意控制器，当需要启动一个新的行为时，它能抑制习惯的反应模式。从这个观点看来，随机生成实际上反映了一系列习惯化的字母提取图式，如字母序列表或者首字母缩拼词等。生成随机序列的要求使得SAS必须不断干预固有的生成机制，打破这种向原型靠拢的倾向。由于同时进行的卡片分类决策也需要SAS，所以生成的字母序列的随机化程度（Baddeley, 1986）不可避免地受到了干扰。一系列研究结果显示，无论是简单的应激反应，还是复杂的策略思考，如果将随机生成任务作为二级任务，都可能会干扰中央执行系统的操作。
我们再来从自动化的角度来看随机生成。自动化是注意研究中的一个重要概念。Shiffrin和Schneider（1977）指出：特定刺激与相同反应若成对出现多次，那么对该刺激作出反应时，所需注意控制就会逐渐减少，最后刺激会引起自动化的反应。根据这个观点，随机生成与自动化可以看作是一个连续体的两个端点，前者要求产生一个与既有事件最少联系的反应，所以即使经过多次练习，仍不断需要注意的参与；后者最大程度地利用先前经验的作用，经过多次练习后，对注意的要求很低。
在利用随机生成任务进行的研究中，大量研究使用的是言语报告，最典型的是要求被试报告字母或数字。这种方法操作起来比较繁琐，因为实验者要先记录下被试的报告，然后再将记录结果输入计算机进行随机程度的分析。再者，被试的一些简单策略，也会对随机生成任务的纯净程度产生影响。而且若随机生成任务采用口头报告的形式，必然会限制它作为二级任务的使用范围。因此Baddeley等人采用随机按键的形式作为另一种随机生成的任务。后来对两种随机生成任务的比较研究显示，按键比生成数字的随机程度低，但两者均随生成速度的增加而呈现出随机程度的降低。所以，两种任务可以说是基本等效的。
在讨论了随机生成任务的不同形式之后，我们不禁要问，随机生成任务是否真的反映了存在一个能量有限且具有普适性的执行系统？为此，Baddeley等人进行了如下实验。他们要求被试同时完成按键任务与记忆广度任务。如果被试的操作依赖于一个能量有限且具有普适性的执行系统，那么言语记忆任务与视觉空间生成任务之间就会相互干扰。进一步说，如果此系统能够反映能量有限的工作记忆，那么，随着记忆负荷的增加，对生成任务的干扰程度也会增加。实验结果支持了研究者的假设。接着，他们采用了另一些任务，如发音抑制、言语流畅性任务（要求被试根据语义类别尽可能多的生成项目）等，这些任务对工作记忆的中央执行系统都会产生负荷，检查它们与随机生成任务之间的相互作用。结果发现，发音抑制对随机生成没有显著影响，但是言语流畅性任务对随机生成有很大的干扰。这说明，言语流畅性任务严重依赖于执行资源。这一点不仅可以通过对数字广度的敏感性来证明（Badde1ey, 1984），还可以通过执行功能异常病人的操作缺失来证明（Baddeley & Wilson, 1988）。若要求被试同时操作测量流体智力并可作为执行功能指标的AH3（Heim, 1975），则缺失程度更加明显。所有这些结果均显示，随机生成与依赖中央执行功能的操作在竞争同一项能量有限的资源。
在另一项实验中，实验者要求被试同时进行随机数字生成与随机按键操作（这实际上已从单任务操作转向了双任务操作）实验结果发现，被试的操作能应付自如，像同时进行的数字广度和类别生成任务一样，同时进行的数字生成任务降低了按键的随机程度，而同时进行的按键操作对数字生成的随机化程度也产生了一定的影响。要解释这一现象，必须考虑随机生成任务的内部机制。为此，Baddeley等人提出一个类似于Raaijmakers和Shiffrin的SAM（1981）的模型来进行解释。模型包括建立提取计划、执行、检查和输出四个阶段。该模型假设，速度加快时随机程度的降低主要是由于从一个提取计划转向另一个提取计划所花费的时间减少。如果没有时间限制，那么被试可以在任意时间进行转换而无须检验输出。另一方面，如果同一提取计划重复使用多次，那么反应就会定型，变得不再随机。同时，任何干扰转换提取计划的事件都会增加信息的冗余度。因此，即使一个系统对双任务操作很敏感，但结果只会使被试操作成绩下降，而不是完全不能操作。干扰仅仅是减少了被试对提取计划的转换次数，导致了更多的定型反应。在按键和数字生成相结合的双任务中，干扰任务只是减少了转换的加工，但是生成活动仍在继续。因为按键的提取计划与数字生成的提取计划彼此是独立的，可以同时操作，所以实验结果是随机程度降低而不是被试完全无法操作。
下面的两个实验更加直接地检验了转向假设。实验逻辑是这样的：如果可以找到或编制一项任务，它对记忆和其他执行加工要求的负荷很少，而对转换的要求很高，根据上面的论述，操作的干扰源是提取计划的转换，那么我们就可以利用这项任务来检验转向假设的真伪。神经心理学中的踪迹测验（Trails Test in Halstead–Reitan Battery）符合上述要求。踪迹测验可以灵敏地检测出额叶的损伤。在测验中，要求被试依次连接一系列编了号的方块（踪迹l），然后要求被试在数字方块和字母方块之间轮流连接（踪迹2），顺序就像A–l–B–2–C–3等。额叶损伤的病人在踪迹2测验中表现出严重的操作缺陷（Lezak, 1995）。虽然踪迹测验能够满足检验转向假设的要求，但是由于被试在按键时无法从事踪迹测验，所以Baddeley等人又编制了一种言语测验。被试以l/sec的速度随机按键，或者将按键任务和下面三项任务中的任何一项相结合：以1/sec的速度背诵字母；1/sec的速度数数；在字母和数字之间转换。结果前两项任务都没有对按键的随机程度产生明显的影响，只有转换任务大大地降低了随机程度。虽然转换任务所要求的记忆负荷很低，但是按键的随机程度由于受到转换任务的干扰大大地降低，而且转换任务本身也受到严重影响。因此，可以认为随机生成是由于要求不断转换提取计划而干扰了中央执行系统的操作。今后，可以在正常被试和神经症患者身上进一步验证和发展这种方法。
通过以上的叙述可见，随机生成任务对研究中央执行系统的转换策略功能来说是一种有效的方法。但是随机生成任务中还存在一些问题尚未清晰。如由生成操作所带来的各种负荷，即变换策略所造成的负荷，寻找新策略所造成的负荷，以及监测反应输出所造成的负荷分别是多少。仅仅用“能量有限的、具有普适性的加工器”这个概念无法分析清楚包括了输入和提取过程的随机生成任务。此外，Baddeley（1984）等人发现，同时进行的排序任务对词表学习有很大影响而对词表的提取没什么影响，这说明提取加工中存在某种自动化的过程。并且，这种差异与近期PET的研究结果一致。PET研究发现，编码和提取加工在左右额叶分别有不同的皮质定位。总之，随机生成任务对于研究提取中注意加工的作用是一个有用的工具。
除了分配协调能力和转换提取计划的能力外，选择性注意可能是中央执行加工系统还必须具备的功能之一。选择性注意是指有针对性地注意某种信息而忽略其余无关信息。关于中央执行系统选择性注意功能的研究主要是通过考察年龄因素对中央执行加工的影响进行的。年龄是影响执行加工的一个重要但不直接的变量。先前的研究认为，年长者工作记忆能力有所下降。例如，Morris和Gick等（1988）采用Baddeley和Hitch的技术，将数字负荷和语句验证（二级任务）相结合进行了双任务研究。运用两种方法来增加工作记忆的负荷，增加同时进行的数字负荷或者增加加工语句的语法复杂程度。这两项控制均损害了被试的操作，但是语法复杂性对年长者的影响比对年轻人更大，而数字负荷与年龄之间没有交互作用。一般的研究经验告诉我们，对于年龄问题的研究比较复杂，因为随着年龄的老化，所有生理的和认知的功能都表现出下降趋势，所以除非排除了其余因素的干扰，否则很难将年长者在某项任务上操作的低劣单一地归因于该项任务特定操作的损伤所致。因此一些研究者想通过一般智力测量（Rabbin, 1983）、加工速度测量（Salthouse, 1991）或者下降的保持能力的测量（Hasher & Zacks, 1988）来探索年龄缺陷的本质。在对中央执行系统的研究中，一般都要进行前两项测量，并将结果作为多变量分析的一部分，以此就可以作出结论：任何工作记忆导致的与年龄有关的缺陷并不是由于一般智力问题或只是简单的加工速度问题。如果能找到一些附加效应，那么就可以认为中央执行系统是一个由多种成分组成的系统，而不是以单一能力为基础的单调系统。
在Baddeley的研究中，使用了两种方法来控制注意。第一种方法是向被试呈现无关刺激，并要求被试将其忽略。无关刺激可以出现在单一的或不同的通道中。第二种控制注意的方法是通过指导语，要求被试从对某一个通道的信号发生反应转换到对另一通道发生反应。和Allport等人的结果一样，被试的初始反应特别慢。例如，在第一个实验中，被试注视VDU，一旦有圆圈出现，就以按键反应。所有被试都进行了以下四种条件的测试：（1）单独操作；（2）有无关声音伴随；（3）对声音和圆圈都反应；（4）根据不同的提示线索，分别对声音或圆圈发生反应。此外，还对24个中年被试和24个老年被试进行了流体智力测验和Cattell文化公平测验。实验结果与预期的一样，随着无关刺激的出现和通道的转换，反应时也在增加，特别是在通道转换后的第一次。老年人比年轻人反应慢，流体智力也低。当将IQ作为一个协变量时，年龄差异消失。他们的第二个实验使用了相同的被试。设计也相似，只是加入了与目标刺激维度相同的无关刺激这一条件。例如，要求被试对圆圈发生反应而忽略三角形，或者对低音反应而忽略高音。实验二的结果大部分与实验一相同，当无关刺激出现时，被试的反应减慢，特别是当无关刺激与目标刺激属于同一通道时。当两种刺激处于同一通道时，即使将IQ作为一个协变量，年龄效应仍然存在。在后来的实验中变化了刺激的维度。对听觉刺激，不只是音调，还加入了不同的音色，如吱吱声或咕哝声；对视觉刺激，使用了方形和钻石形。正如所期望的那样，年龄和通道变量在同一感觉维度和不同感觉维度都显示出主效应。将无关刺激出现在非注意通道的平均反应时作为测量指标，对年龄、智力、加工速度进行多变量分析显示，即使排除IQ和加工速度的影响，在忽略同一维度刺激的条件下，年龄的影响仍然很显著。因此，年龄的认知效应不仅是简单的信息加工速度的降低或者流体智力的降低，因为这两者均无法解释在目标维度上忽略无关刺激能力的年龄差异。
另一方面，随着年龄的增长，利用抑制来集中注意和限制分心的能力也在下降。但关于抑制加工的性质目前尚处于推断阶段，我们只能采用生理的对应部分作为模型，可以想象当人们集中注意于某个目标特征时，焦点落在该特征中央，整体上呈钟形曲线分布。刺激的特征越靠近焦点，受到的注意就越多，加工的速度就越快。落在分布以外的刺激将被忽视，落在边界上的刺激在拒绝之前仍会被加工。中央执行加工的年龄效应是由于年龄导致了注意峰值的降低。年龄越大，注意分布得越广，老年人与中年人相比，无关刺激会受到更多的加工。
长时记忆的暂时激活是中央执行系统拥有的又一项功能。对于这项功能的深入研究是在Ericsson提出长时工作记忆模型以后。Johnson–Laird（1983）曾指出，理解的加工与建立心理模型有关，因此理解活动就对工作记忆的能力提出了要求。如果理解加工完全是在两个子系统中操作的，那么这两个子系统应该具有反映语义复杂性和被试利用先前知识能力的功能——因为运用先前知识的能力正是理解的关键。但是已有的知识显示，两个子系统不大可能具有这种功能。所以只有假设，理解时建立的心理模型实际上表征了长时记忆中成分的暂时激活。这种观点被Ericsson和Kintsch（1995）有所发展，他们以散文理解和记忆术专家的操作为例，讨论工作记忆中长时贮存的暂时激活问题。
其实，以前就有一种观点认为，工作记忆可能代表了长时记忆表征的选择性激活（Crowder, 1993；Roediger, 1993）。对于非词的记忆广度的研究发现，语音结构与英语相似的非词比不相似的记忆广度大（Adams & Gathercole, 1995）。所以，可以认为语音环是一个以识记者语音经验为基础发展起来的系统。语音贮存依赖于这个系统的激活，而这个系统本身也反映了长时记忆。要探讨长时记忆在工作记忆中的作用，有许多途径，其中一种就是通过中央执行系统的概念将提取系统概念化。中央执行系统这种提取系统应能从工作记忆子系统和暂时激活的长时记忆成分中编码和提取信息。Baddeley和Hitch（1993）后来的工作记忆模型已经考虑了这样一种特殊形式的提取：将近因效应（Recency Effect）假设为在各子系统和长时记忆系统均可使用的内隐启动机制。然而这个模型完全忽视了中央执行系统在建立、保持、提取长时记忆的暂时表征中的作用。幸运的是，另一些探索工作记忆的研究者对这种作用有所提及。
Daneman和Carpenter（1980）提出了一种工作记忆广度（Working Memory Span）测量法。这种测量要求被试同时加工和贮存信息。最典型的形式是，呈现给被试一系列句子，要求被试加工每个句子，并贮存最后一个单词。在实验结束时要求被试回忆每句末尾的单词。当被试可以保持末尾单词时，他所加工句子数目的最大值就定义为被试的工作记忆广度，这个值通常在2至5之间变化。将某些复杂的认知任务（如阅读理解、计算机程序编制等）的分数综合起来，其结果与标准智力测验有很高的相关（Kyllonen & Christal, 1990），这表明工作记忆广度测量法确实测量到了一些对一般认知功能具有重要作用的能力。但是这种能力究竟反映了什么，人们尚未取得一致的观点。Daneman— Carpenter任务所依靠的工作记忆系统是仅局限于语言加工，还是反映了一个更具一般性的能量有限的子系统？为了解答这个疑问，Turner和Engle（1989）用算术运算任务代替语句检验任务，发现同样存在工作记忆广度效应，这就证明存在一个更普通的能量有限的系统。这个结果与随机生成任务的研究结果以及Shute（1991）对工作记忆广度个体差异的研究结果都是一致的。
Cantor和Engle（1993）认为工作记忆可能反映了长时记忆区域的暂时激活。为了检验这个假设，他们根据Anderson的理论和研究方法，引用了扇形效应来证明。扇形效应是指一个陈述的主语和谓语和其他陈述的联系越多，那么检验此陈述的时间就越长。在上一章中，我们详细地介绍过Anderson的理论。他的基本假设是激活的能量是有限的。因此，他对于扇形效应的解释是，有限的激活自动地从句子的一个单元传到与其有连结的特征。当激活量一定时，连结数越多，每个连线上的激活就越弱。Cantor和Engle认为，高工作记忆广度的被试是因为有更多的激活可以提供。他们用Daneman和Carpenter任务证明：对低工作记忆广度的被试，集合大小与检验时间构成的直线的斜率更陡。Rosen和Engle稍后的一项研究表明：高工作记忆广度的人从一个语义类别中生成项目的能力更高。另外还有一些实验研究了工作记忆广度、Anderson的扇形效应和Sternberg（1966）研究之间的关系。在第二章中已经介绍过，Sternberg的实验主要研究集合大小与探测项检索时间之间的关系。Conway和Engle（1994）的实验以Sternberg研究和扇形效应之间的联系为基础。首先呈现给被试由2、4、6、8个字母组成的字母组合，直至被试能完好记忆为止。然后向被试呈现一个组号和一个特定的字母，检验被试能否识别该字母是否属于那一组。正如所预期的那样，反应时随探测组字母数的增加而增加。低工作记忆广度的被试斜率更陡。Conway和Engle通过先具体化集合，然后延迟探测字母呈现的方法，将搜索集合的时间和检索探测字母的时间进行了区分。研究结果发现，工作记忆广度并不影响搜索集合的时间，只影响检验的时间。因此，提取加工的前一阶段相对来说是自动的，不依赖于能量有限的工作记忆；而后一阶段与积极的搜索加工有关，要依赖系统提供的有限能量。
从以上这些数据看来，工作记忆的个体差异似乎反映了个体间能提供的激活量的差异。然而，Engle的两项发现否定了这种看法。第一个发现是通过对高广度和低广度被试在各种任务上的操作进行比较分析得到的。虽然前面描述的效应对高广度的被试均适用，但低广度被试却不尽然。例如，类别生成任务与要求注意的任务同时操作时，会降低高广度被试的成绩，但对低广度被试没有影响。若让被试学习一个集合，此集合是所要求生成集合的子集，要被试在类别生成时不要用此集合，结果，这种要求对低广度被试没有影响，但严重抑制了高广度的被试。而且奇怪的是，即使需要排除的项目完全来自另一个不相关的集合，也会产生显著的效应。这个发现对于工作记忆广度测量法的推广和运用具有重要的意义。因为它不仅可以测量被试之间连续变化的能力，还可以区分出使用不同策略的被试。虽然策略的不同可能源于一些加工能力形式的不同，但是这种方法可以直接方便地划分操作良好和操作不良的被试。第二个发现来自于Engle对自己研究的反思。因为他的实验是以Sternberg的范式为基础的，要求被试所学的项目集合之间并不相互排斥。这样，字母可能既包含在大小为2的集合中，又包含在大小为6的集合中。在他的最后两个实验中，采取措施避免了这种混淆，结果发现高工作记忆广度的被试与低广度被试之间斜率上的差异消失，集合大小的线性关系在长度为8时也不存在了。所以先前结果一个很重要的特性是类别之间项目的交叉。因此，Engle认为执行加工是有局限的，它主要用来抑制无关信息。这与前面关于年龄和选择性注意的研究是一致的。Engle的研究对认知心理学中的三个现象提出了疑问，即Sternberg效应、扇形效应和工作记忆广度的Daneman和Carpenter法测量。这些问题的提出对于理解工作记忆在长时记忆提取中所发挥的作用是十分有益的。
工作记忆的中央执行系统虽是一个功能强大的系统，但是直至目前，对它的研究仍然只是处于起步阶段。上面介绍了中央执行系统的神经基础和新近的关于其成分和功能的研究成果，主要包括：（1）中央执行系统在两个分离任务上协调操作的能力；（2）由随机生成任务所反映的中央执行系统改变提取策略的能力；（3）中央执行系统选择性地注意某一个刺激，抑制其他刺激干扰效应的能力；（4）工作记忆广度测量中所反映的中央执行系统保持和控制长时记忆中信息的能力。从这些不同的研究侧面，我们可以将中央执行系统看作是一个具有多种功能的、与控制过程相互作用的独立系统。同时，我们认为仍需要使用中央执行系统这个概念来揭示工作记忆所具有的重要的控制功能。
第三节 长时工作记忆
长时工作记忆是在特定领域中，为了满足特定活动所提出的存取要求而获得的一种特殊技能。本节我们将在概述长时工作记忆概念的基础上，阐述其与短时记忆、长时记忆之间的联系与区别，并介绍与之相关的熟练机制理论和干扰抑制的克服。
在上一节中已经提到，继Baddeley和Hitch于1974年提出工作记忆模型之后，许多研究者开展了有关工作记忆系统的研究。然而，这些研究中大部分是针对该模型的两个子系统的作用而进行的。直到最近，人们才开始重视对中央执行系统的研究，特别是对信息加工中长时记忆中信息提取和存贮动态特性的研究。长期以来，工作记忆一直被看成是对认知加工中任一环节上的信息进行的暂时贮存。但是Ericsson和Kintsch（1995）指出，如果用这种定义和相应的机制来解释所有的工作记忆现象，就会出现两个问题：（1）目前的各种工作记忆容量的测量方法是否能够用来解释专家、或人们从事非常熟练的认知活动时所表现出的非常广的工作记忆容量？（2）短暂储存的工作记忆是否能够解释非常熟练的认知活动被中断后，无需很大的努力即可迅速恢复的现象？他们指出，工作记忆是认知加工过程中随信息的不断变化而形成的一种连续的工作状态，其中除了暂时存贮信息的短时工作记忆（Short Term Working Memory, STWM）外，还存在另外一种机制，即基于长时记忆的、操作者可以熟练使用的长时工作记忆（Long Term Working Memory, LTWM）。长时工作记忆中的信息可以稳定地、较长期地保留，同时又可以通过短时工作记忆中的提取线索，建立一个短暂的提取通路。因此，长时工作记忆中的信息可以进行快速的、动态的更新，而不是像传统理论那样，假定长时记忆中的信息都是相对固定的，提取和存贮的速度较慢。但是长时工作记忆和短时工作记忆是有区别的，它们所提供的持续时间和提取存贮在长时记忆中的信息所需的线索均不同。
先前的记忆理论多以短时记忆和长时记忆的差别为基础。长时工作记忆理论想说明个体在获得记忆技能后，经过足够的练习和训练，可以在特定的领域和活动中使用长时记忆作为短时记忆的有效延伸。在Chase和Ericsson（1982）的熟练记忆理论（Skilled Memory Theory）基础上，人们发现，专家和熟练操作者在短时记忆的测试中有效地扩充了他们工作记忆容量，而且熟练操作者可以克服相似信息的前摄抑制。根据长时工作记忆的概念，个体依赖特定的控制加工，采用可提取的形式来编码长时记忆中被注意的信息，特别是由获得知识和提取线索所组成的提取结构。根据这个概念，可以解释熟练操作者在他们已获得知识和特殊记忆技能的活动中扩充工作记忆的能力。而且，信息在长时工作记忆中的贮存意味着工作记忆中的可访问信息在熟练活动被中断后仍将保留在长时记忆中，所以若再次激活必要的提取线索，就可以容易地恢复。这种熟练操作者可以获得长时记忆有效贮存和提取策略的假设与以往的工作记忆模型相矛盾。
当Ebbinghaus（1850—1909）将实验法引入人类记忆的研究时，他就意识到个体的知识、经历和兴趣影响着日常生活中记忆的保持和回忆。他在自己的实验室实验中之所以采用无意义音节就是为了尽量减少相关经验的影响。而且，为了排除被试使用已习得的技巧与策略的可能性，他将实验材料快速地序列呈现。由此，他研究了加强联想的机制和记忆的一般规律。通过上一章的介绍我们知道，在传统的记忆模型中，即时自由回忆从暂时的短时记忆中直接提取项目，或者从历时更长的长时记忆中通过提取线索来提取。短时记忆的容量是7±2个组块，一个组块相应于长时记忆中一个熟悉的模式。短时记忆中的贮存是暂时的，当注意转移后，原来贮存在短时记忆中的信息在几秒钟后就无法提取。与短时记忆不同，长时记忆中信息贮存量大、时间长，不同的项目之间以及项目与当前情境的特征主要以联想的形式贮存。提取长时记忆中信息的主要瓶颈是缺乏长时记忆中通过联想与目标项目联系的提取线索。长时记忆中贮存信息的另一个特点是后继相似信息的贮存可能干扰原先贮存的信息。人类记忆的这些特性与我们即将讨论的长时工作记忆的概念是一致的。但是长时工作记忆存在与长时记忆不同的特点：长时记忆的提取很慢，需要l秒；而且新的可提取记忆痕迹的贮存也非常缓慢，需要5至10秒。按照Newell和Simon的估计，对不熟悉材料的记忆速度是每个组块10秒。但是，对于长时工作记忆，专家只需要很短的时间就可以将专业领域的表征材料贮存在长时记忆中。
问题解决、决策和概念形成的信息加工模型通常以短时记忆和长时记忆的能量和操作特性作为约束条件。在传统的记忆理论中，只有短时记忆才能为成功地完成一项任务准备好必需的信息，并且确保信息能够被快速、可靠地提取。然而，工作记忆中实际能进行成功提取的可靠容量比7个组块要小，通常只在4个左右。这么小的工作记忆容量对于人类的记忆操作来说远远不足。随着工作记忆研究在各种复杂认知领域中的开展，如果继续坚持工作记忆中只能容纳4个组块的假设，就会给许多认知过程的建模带来困难。Anderson（1983）因此拒绝接受片刻的激活元素数量有限的观点。他的研究发现，在某些时间内，工作记忆可以包含20多个单元。为了调和工作记忆容量巨大和短时记忆容量有限之间的矛盾，Anderson假设，元素的激活会迅速地衰退。因此，即时回忆中能够保持的激活元素数量比回忆开始时的信息量要少得多。然而，也有些人认为，工作记忆的容量比传统的短时记忆的容量要大得多（Newell, 1990）。
在本章的上两节中我们已经知道，Baddeley（1986）将工作记忆看作是一个含有通用资源的独立结构。除了中央执行系统的通用资源外，还有两个子系统：语音环和视觉空间模板。中央执行系统可以暂时在这两个子系统中贮存信息。前面已经介绍过，两个子系统存在的证据大多来自双任务研究。通过同时操作的次级记忆任务干扰其中任何一个子系统，通常只轻微地降低主任务上的操作。而且，同时操作的记忆任务对钢琴弹奏、打字、阅读等熟练活动损坏很少。这些研究发现意味着中央执行系统有足够的能量来完成加工，因此熟练活动中的工作记忆机制实际上并没有得到解释。总之，传统的模型可以解释不熟悉的任务，但是无法解释复杂任务中的熟练加工。这是因为长期以来，传统模型都只是将片刻的激活作为保持和提供信息的方法，而没有考虑长时记忆的贮存。这种观点的存在有很多原因。许多记忆研究者认为，长时记忆无法满足贮存和提取信息时速度与可靠性的标准。以前对成功贮存所需的时间估计过长，而且对于在长时记忆中获得可靠贮存的概率估计，以前的研究认为，只有进入短时记忆的信息才能进入长时记忆，在长时记忆中贮存的概率是一个项目在长时记忆中保留时间的函数（Atkinson, 1968），或者是一个项目进入短时记忆的次数的函数（Anderson, 1983）。被试控制信息贮存的能力是有限的，而且无法预期哪种信息在将来还会有用处。即使被试能够预期、选择和可靠地贮存信息，但仍存在如何从长时记忆中有选择地、有效地提取的问题。
以往的记忆研究中，许多都是采用被试不熟悉的实验材料和任务，并以此为基础假定了长时记忆中贮存的信息若要进入工作记忆，必须经过一个搜索的过程，这被当成长时记忆一个显著的特性。由于长时记忆中的信息被激活后才能进入工作记忆，所以就排除了长时记忆作为工作记忆中介的可能性。长时工作记忆概念的提出者认为被试能够获得特定领域的记忆技能，使他们可以获得长时工作记忆，这样在特定的活动中可以扩充工作记忆。例如，专家在从事特定活动的认知过程中，可以熟练掌握某种与特定任务相关的特殊能力，从而在进行此项任务时，使自己的工作记忆能力得到扩充。象棋大师们在棋子位置记忆实验后，即使不提供任何线索，甚至增加分心操作，或不给任何提示突然提问，他们对棋子位置的记忆成绩并没有比实验时有所下降，其正确率与棋师的水平有关。这说明，在专家的长时记忆中存在一个缓冲区，其中保留了特定领域的知识及相应的操作程序。在进行相应操作任务时，专家可以快速可靠地从这个缓冲区中提取相应的信息，这些信息构成了长时工作记忆。
对特定类型材料的记忆操作依赖于被试对此材料的熟悉程度，而且操作可以通过练习大幅度地提高。对于这种现象的解释，一般的记忆理论认为长时记忆中预先就存在组块，如果被试已经在长时记忆中贮存了大量的此类复杂模式，那么这些组块将与呈现的项目进行匹配，被试通过激活短时记忆中匹配的组块保持呈现的项目组。这样在材料简短的呈现之后，被试可以回忆起大量的元素，这些元素是得到再认组块的一部分（Miller, 1956）。而且，专家与新手记忆操作的差别主要在于组块水平不同。上一章中已经介绍过，Chase和Simon（1973）通过对象棋专家的研究发现，象棋专家经过多年的实践，在长时记忆中贮存了大量棋局片段的模式（组块）。这么多的组块允许他们在呈现的棋局中迅速再认出一些模式，所以依赖短时记忆中固定的组块数就可以编码和回忆许多棋局片段。象棋专家优越的记忆是由熟悉的有意义的棋局片段为中介的，当记忆刺激是随机排列的棋局时，专家的优越性就消失了。专家在专业领域的优越操作以及对随机任务的一般操作已在许多领域得到验证，如象棋、桥牌、医药、音乐、电子、计算机程序、跳舞、篮球、曲棍球和滑冰等。
与组块理论一致，Chase和Simon认为，专家的记忆操作仅用短时记忆就可以解释。在专家的短时记忆中，组块被暂时地保持或激活。然而，Charness（1976）发现，象棋位置的信息实际上是贮存在长时记忆中的。当在短时记忆中插入干扰任务以去除有关象棋位置的信息时，对后来的回忆没有或者很少有影响。而且，Frey和Adesman（1976）发现，短时记忆固定组块数的假设与象棋大师对棋局的记忆情况不符。当给这些被试序列地呈现两个棋局时，他们的回忆成绩与只呈现一个棋局时的回忆一样好。后来，Cook（1997）等人的研究发现，技术高超的棋手能够回忆快速序列呈现的9个不同的棋局。另外，记忆操作最大的个体差异与记忆专家有关，他们高超的记忆反映了在长时记忆中贮存特定种类信息的能力。有研究者利用数字广度任务发现，工作记忆的容量可以通过训练得到提高。Chase等人（1982）报告，有的被试经过几百小时的训练，记忆操作容量从正常的7个左右增加到80个。其他还有人报告经过50小时的训练，数字记忆广度可以扩充到20（Chase & Ericsson, 1981；Ericsson, 1988）。
以上研究表明，专家和受过训练者在短时记忆任务上表现出高超的记忆能力，因此被试可以迅速并且可靠地贮存信息。然而，虽然在外显记忆任务中，专家可以在长时记忆中储存信息，但是这并不证明在一般正常的活动中他们也依赖此类贮存来扩充他们的工作记忆。在正常的认知活动中，检验专家是否贮存长时记忆信息最直接的方法是：在专家已经完成任务，并且相关刺激已移走后，出其不意地要求他回忆信息。de Groot（1946、1978）发现，象棋大师遇到不熟悉的棋局时，在他选择好一步后，如果此时要求其回忆刚才的思考过程，则他能回忆起当时的全部棋局。Lane和Robertson（1979）则发现：无论事先是否告知被试随后进行的记忆测验，被试的操作成绩一样好。而且，正确回忆的信息量与被试的棋艺水平相关，仅仅接触棋局并不能导致良好的回忆。如果仅要求下棋者计算棋局上匹配的颜色数，那么他们的偶然记忆（Incidental Memory）很少，先前知识会大大提高记忆测验的成绩。其他关于桥牌和医学领域的研究也证实，专家比新手对数据的偶然回忆要多。从加工深度的观点出发，提取操作必须与有效的编码条件相匹配（Moscovitch & Craik, l976）。专家比新手偶然回忆量大的结果表明，专家稳定的程序技能使得他们能利用与长时记忆中信息有关的线索更可靠地恢复先前的心理状态。
在传统的记忆理论中，对短时记忆中信息的提取是即时的，而提取长时记忆中的信息则需要经过评价。在典型的记忆任务中，短时记忆的贮存是对信息快速可靠的贮存。但是这种情况在熟练的活动中不一定存在，因为在熟练的活动中有大量可提取的信息，自由回忆时无法逐一评价每条信息的即时可提取性，否则就无法满足提取速度的要求。由于工作记忆的一个功能性标准是在特定的时间对特定信息快速可靠的提取，所以线索回忆是最合适的测量方法。在线索回忆任务当中，被试根据实验者提供的提取线索来提取项目。研究者通过呈现一个简短的项目表激发被试从短时记忆中提取信息，然后要求被试说出给定项目的下一个项目。Sternberg（1969）发现，提取时间是词表长度的函数。而且通过计算估计，搜索速度是250 ms/项目，l0倍于再认的速度。其他研究者也得到类似的速度估计。Weber（1969）等人发现，搜索速度与默读的速度很相近。根据组块理论，不是组块的所有信息都贮存在短时记忆中，而是短时记忆中贮存了一个指针或者说是提取线索，此指针允许被试在回忆时能够访问长时记忆中组块的信息。Yu（1985）等人估计，提取一个组块的所有元素所必需的时间是282—373 ms。因此，从短时记忆中选择性地提取信息不是即时的，将搜索和提取结合起来需要1s左右。通常，通过贮存在长时记忆中项目的再认时间与保留在短时记忆中项目的再认时间之差，可以估计访问长时记忆中贮存信息所需的时间。Sternberg（1969）发现，对贮存在长时记忆中且高度练习过的词表的再认时间比短时记忆中的贮存长200—400 ms。而且，对于有意义的材料，在一次呈现后，就能进入长时记忆贮存。Anderson（1990）发现，访问长时记忆中句子的时间比短时记忆中的长一些，约420 ms。总之，线索回忆实验表明，虽然从长时记忆中提取信息比短时记忆所需时间要长，但是当短时记忆中的提取线索与目标项目高度相关时，它们的潜伏期之间的差异很小（约300 ms）。如果专家能够形成与第一次贮存于长时记忆信息相似的联结结构，那么他们能够以与短时记忆近似的速度和可靠性访问长时记忆中的信息。
Chase和Ericsson（1982）在熟练记忆理论中提出了一个视角，来解释在数字广度任务中当被试l000%的过度学习之后是如何扩充工作记忆容量的。工作记忆的扩充机制只有在非常严格的条件下才能获得：第一，被试必须能迅速地在长时记忆中储存信息。这要求被试的长时记忆中有大量与特定类型信息相关的知识与模式。这种能力不仅存在于记忆专家身上，而且存在于特定领域专家身上。第二，专家必须对这项活动非常熟悉，因为只有如此，他们才能精确地预期将来提取相应信息的要求。这两个条件均满足后，才有可能对长时记忆信息进行选择性贮存。第三，被试必须将编码信息与合适的提取线索联系起来。这种联系使得被试可以在稍后激活特定的提取线索，部分地恢复编码时的条件来提取长时记忆中所需要的信息。这种方式符合编码特性原则（Tulving, 1983）。当一套提取策略被组织在一个稳定的结构中时，就可以称其为提取结构。提取结构可以用来解释专家操作，而且构成了长时工作记忆的主要成分。
通常认为，长时工作记忆以提取图式为中介，在这个图式中，被试遇到的信息是在长时记忆中编码和贮存的，它们与合适的提取线索相连（见图3–2）。在选择性回忆时，只有当提取线索与此特定结构相应的节点以及与所需信息类型有关，它们才会出现在短时记忆中。例如，医生在阅读病人病历时，在长时工作记忆中将其检查结果编码，如果长时工作记忆中存在相应的信息并有相应的提取线索的话，就可以提取信息。近期关于长时工作记忆的研究大多来自于对数字的超常记忆。被试SF经过训练，能够记住30个数字，Chase等人获得了他用于记忆的等级提取结构。他先用联想将数字组成一些组，然后利用空间位置进行记忆。空间位置在提取结构中也可以成为提取线索。许多研究结果表明，被试在简短呈现后立即在长时记忆中选择性地提取信息，如果线索合适，提取速度可以和从短时记忆中提取一样快。
图3–2 提取结构的一般组成
（资料来源：Chase & Ericsson, 1982）
Chase等人认为，熟练记忆理论可以用来解释超常记忆，但一些研究者对此是否可以推广到工作记忆表示怀疑（Anderson, 1990；Baddeley, 1990；Carpenter & Just, 1989；Newell, 1990；Schneider & Detweiler, 1987）。Carpenter等人认为，这种记忆数字序列的方式具有一些语言理解的性质。Schneider认为不应将长时记忆作为工作记忆，因为长时记忆变化得越快，倒摄抑制产生的可能性越大，这就使长时工作记忆失去了作用。为了证明专家的工作记忆不依赖于长时记忆，Baddeley指出，有证据表明专业计算师也只能回忆一个数字系列，因此不能说他们超常的数字工作记忆容量是以长时记忆为中介的。Ericsson将熟练记忆理论吸收进长时工作记忆概念中，解决了上述提到的这些问题。
Ericsson认为，在许多熟练的活动中，被试必须直接地、连续地、重复地操作同样的任务。即使在一个活动内部，在工作记忆中他们也会生成和变换中间结果。如果被试希望通过将最近的结果与提取结构中合适的线索相联系来使其在长时工作记忆中得以保持，那么先前用那个线索贮存的结果将会对此提取产生前摄干扰。这个假设已通过配对联想实验得以证明。在配对联想实验中，刺激项与不同的反应项配对。对于最近呈现的反应项，用刺激项作为线索，让被试回忆。也可以测量对于某个给定的刺激项，所有反应项的回忆成绩。这两项回忆任务所反映的干扰模式可以通过指导不熟练的被试使用不同的编码方法来进行改变（Bjork et al.，1978）。当被试通过顺序复述来记忆配对联想时，典型的干扰模式是：最近期反应的线索回忆是精确的，但是在最后记忆测验中无法回忆早先的反应。如果被试将对同一个刺激的反应顺序相互联系起来，并建构一个故事来进行记忆，则最近期反应的线索回忆与前一组被试一样，而在最后的回忆测验中对早先反应的记忆比前一组被试好，与近期反应的水平一致。因此，Bjork认为，所有编码方法均有正面和负面的特征，只有根据特定的提取要求才能选择最好的方法。
熟练的操作者具有的记忆能力能够满足工作记忆的需要，他们能通过两种不同的机制来克服前摄抑制和后摄抑制：近因和精细编码。传统的学习理论将近因效应归因于短时记忆中的贮存。然而，越来越多的研究发现长时记忆中贮存的信息（几天前或几个月前的贮存）也有近因现象。Baddeley和Hitch（1993）发现，对近期某类信息的良好回忆是一个普遍存在的现象，这也许与时间段上的暂时分离有关。只要近期编码与先前编码的暂时分离能十分充分，使得此次编码独立且富有特色，那么提取就会是精确的。即使是不熟练的被试也常使用相同的提取结构来编码词表并能提取新近的项目。由于记忆技能的获得，编码和贮存项目的精确性在增加，近因和暂时的分离可以作为中介成为可靠提取的有效线索。记忆专家的操作反映了他们能对近因信息进行熟练地使用。在数字广度任务中，要求记忆专家同时进行言语报告，分析报告的结果显示，在回忆词表之前，他们均以相反的顺序提取数字编码（Chase & Ericsson, 1981，1982）。而且，他们在数表呈现过程中对数组进行编码时，不断回忆起测验早期遇到的相似的数组。通常被回忆起的早期数组与当前编码的数组有两个相同的首数字（Chase & Ericsson, 1982）。另一项利用Brown–Peterson范式的研究发现，被试第一次的回忆很精确，而且信息的消退不是中间插入活动所用时间的函数。只是在重复三四次后，前摄干扰逐渐累积，出现典型的结果，即回忆是干扰活动时间的函数。Walter Schneider等人认为用近因机制可以解释这种现象。而且，他们通过综述发现，每次尝试之间若间隔时间较长（2分钟左右），那么就可以消除干扰，将回忆水平恢复到第一次尝试时的水平。
近因机制还可用来解释其他的一些发现。如前摄抑制的释放可以认为是呈现事例类别的变化（Wickens et al.，l963）；多重近因效应可以解释为是由于混合词表呈现了不同的类别（Watkins et al.，1983）等等。总之，即使针对同样一个线索有许多连续的联想，但只要停留的时间足够短，使得近期的贮存保留了暂时的特性，进行可靠的提取就仍然是可能的。熟练的活动如果依赖以近因为基础的长时工作记忆，那么事后回忆的结果可能很糟，因为最近期结果的暂时特性可能会迅速衰退，因此前面提到的心算专家偶然回忆的成绩很糟并不与长时工作记忆的假设相矛盾。另一方面，当熟练的被试需要长时间地保留信息时，他们会生成比简单联想更精细的编码。记忆专家们会使用一些特定的技术来对刺激进行精细编码。
许多熟练的活动所要求的工作记忆无法满足长时工作记忆近因机制的要求，而要求将当前的信息和长时记忆中贮存的信息进行整合（如阅读理解活动）。前面提到的通过编故事来帮助记忆的方法揭示了理解的作用和有效性（Bower, 1972）。若能将无关的项目贮存于长时记忆的各种复杂的相互联系的结构中，回忆成绩就会提高。当不熟练者利用这种技术来贮存和提取时，通常速度很慢。但是对于专家来说，在自己的专业领域可以利用这种技术对信息进行快速地存取。经过精细编码，一般被试可以对信息进行快速地提取，专家可以避免前摄抑制和倒摄抑制的干扰。
研究长时记忆中干扰效应的常用范式是Anderson的事实提取实验。Anderson（1974）的方法是让被试记忆一系列句子，每个句子有一个主语和一个地点。结果发现，随着主语和地点数目的增加，正确再认一个句子的时间增长。虽然扇形效应对于独立的事实具有可重复性，但是当一系列句子形成一个整合的表征时，扇形效应在减弱，甚至出现相反的效应（Moeser, 1979；Smith et al.，1978；Myers et al.，1984）。如果在实验前向被试提供特定的信息以便于其生成整合编码，那么会提高被试对整合事实的再认操作（Jones et al.，1987）。Radvansky（1991）发现，扇形效应在对客体位置描述语句中具有不对称性。同样的位置，客体数目的多少没有产生扇形效应；而对于同一个客体，不同的位置数目有明显的扇形效应。所以，在整合的记忆表征中，在同一位置储存客体可以在情境模型中加入相关的结构，但是无法将不同的地点和同一个客体整合，至少被试很难整合任意的位置。生成整合的记忆表征正是课文理解时加工相似主题的正常模式。
对于熟练操作者工作记忆中存在的干扰效应，Chase（1982）等人发现，受过记忆训练的人的操作受几种方式的影响。在检测数字广度的程序中，连续呈现的数表上数字个数相同，这就使被试可以使用相同的提取结构。结果显示干扰效应在事后回忆中更显著。虽然被试经过训练后，均能在事后回忆中记住三数组或四数组，但是除了最后一两个数表外，他们不能正确回忆整个数表的确切顺序。因为在事后回忆中，被试将记忆过程中记忆术的种类作为提取线索，而不是提取线索结构本身。这样，前摄抑制干扰了通过提取结构线索来提取先前词表的可能性。Chase（1982）等人还直接检验了最大干扰效应。实验的程序是：首先给被试DD呈现一个数表，简短的停顿后，呈现相同长度的另一个数表。然后要求被试回忆两个数表。结果被试DD不仅完整地回忆了第一个数表，第一个数表回忆的正确率为70%—l00%。这与Frey（1976）等人研究象棋大师回忆棋局的结果一致。Chase（1982）等人发现，从受过训练的被试在记忆和回忆时的口语报告显示，他们不仅将提取线索与数组一起编码，而且将更高级的、组与组之间的记忆术类型进行了编码（如“距离—年龄—年龄—距离”）。这样被试编码了记忆术代码模式，并在长时记忆中建立了数字序列的结构。除了编码信息和长时记忆提取线索之间的直接联想外，被试还建立了一个独特的结构。此结构中的元素直接通过语义相联系。这些研究结果提示，那些生成的结构可以抵制前摄抑制的干扰。而且，那些结构中的一个元素与提取结构中的线索相结合，通常可以允许被试只对特定结构进行提取。但是，如果两个语义相似的项目在不同词表中均与同一个提取线索相连，那么回忆时就可能发生混淆。防止这种前摄抑制的方法是提醒被试，现在的数表中有与先前编码类似的数组。当先前相似的数组与同样的提取线索相联系时，记忆专家会对两数组之间的关系进行外显的编码，以使提取更加可靠（Chase et al.，1982）。
根据上述讨论可知，长时工作记忆不是那种一旦获得就能在任何认知活动中补充短时工作记忆的普遍能力，而是在特定领域中，为了满足特定活动所提出的存取要求而获得的一种特殊技能。所以长时工作记忆必须在特定的技能化活动（Skilled Activity）的背景下来讨论。为了提供这个背景，首先必须了解一般的认知过程的结构。认知加工可以被描述为一系列的状态和想法，记忆就是这一系列状态的媒介。认知状态相互依赖，这些依赖就是由记忆产生的。而且，认知状态本身就是复杂加工生成的终产品，例如，感知和概念操作就与认知状态的生成有关。这种生成活动需要知识的激活和不同水平的精细加工；高水平的加工需要使用低水平加工的输出，因此，这种输出必须保留一段时间。这种保留需要通过特定加工的记忆缓冲器来实现。这种缓冲器将中间加工的结果保持一段时间，最后才能生成终产品，或者说认知状态。在这里，缓冲器是用于贮存中间结果的，而记忆是作为连续认知状态的中介。
图3–3 长时工作记忆的理论模型
（资料来源：Chase &Ericsson, 1982）
图3–3示意了记忆的双重功能。对于每一个认知状态，在不同的分析水平上都存在复杂的生成加工，从感觉到知觉到概念。这些过程的终产品就是一段时间中一些连续的认知状态，如短时记忆变化的内容、注意变化的焦点以及意识经验的流程等。图中指向这些终点状态的箭头代表一系列加工序列，它们复杂但却不一定是线性的。这些加工与认知状态的生成（包括必要的暂时贮存中间加工结果的记忆缓冲器）有关，并依赖于环境状态和长时记忆因素（即个体的知识经验）。另一方面，一个认知状态一旦生成，就会产生影响环境的动作，而当前认知状态的痕迹可以保留在长时记忆中（见图3–3）。因此，为了全面地解释认知状态的连续性，必须知道三个方面的信息：（a）环境的状态及其对个体的影响；（b）个体的知识、经验、信念以及它们如何与环境影响之间互动；（c）先前的认知状态。近期，基于记忆的这类观点，Anderson（1987）区分了宏观加工和微观加工。宏观加工与生成稳定产品的微观加工相应，这些加工影响着思想加工序列的生成。在Kintsch（1988）的文本理解模型中，也认为成功的文本理解可以描述为一个状态序列，并且这些状态以建构和整合文本成分的循环为中介。
虽然将认知过程看成一个状态序列的观点已被广泛接受，但是关于相应的信息和状态的中间产品是如何保持的问题尚存在不同的看法。工作记忆模型认为所有相应的信息都暂时地处于激活状态。长时工作记忆理论认为熟练活动中，可访问信息的一大部分贮存在长时记忆中，通过短时记忆中的提取线索进行访问。仅通过观察正常的熟练加工很难对工作记忆模型与长时工作记忆进行区分。因此需要寻找一种特殊的状态来对两者进行比较。例如，在特定状态下突然打断正在进行的认知加工，使被试的注意转向另一项无关活动，一段时间后，再回到先前的认知活动，观察被试是否能继续先前的认知活动。如果间断的时间足够长，短时工作记忆中激活的信息将被丢失，无法提取，导致被间断的活动无法继续。而贮存在长时工作记忆中的信息只是暂时无法访问，以后可以被再次提取。如果大量的信息贮存在长时工作记忆中，短时记忆中的提取线索一旦被再度激活，被试在中断后仍可以恢复先前的认知加工。因此，诱发干扰（Induced Interruption）法常用来区分短时工作记忆储存和长时工作记忆储存。
综上所述，长时工作记忆实际上是人们从事非常熟悉的认知活动时所表现出来的，对长时记忆中信息的快速可靠地提取和存贮的能力。这种能力可以通过训练或长期实践而获得。同时，长时工作记忆也标志着长时记忆中存在一个能够进行快速准确地信息提取和存储的区域。但值得注意的是，短时记忆中保存了长时工作记忆运作所必需的提取结构，因此，长时工作记忆必须得到短时工作记忆的支持才能有效地发挥作用。
第四节 工作记忆研究的新进展
近年来，工作记忆研究围绕工作记忆的容量和脑神经结构展开。
Miller在他颇具影响的文章中提出神奇的数字“7”，作为即时记忆的容量，他在即时自由回忆（字母、数字、单词）、辨别（选择判断一系列刺激的正确标签）、注意广度（判断随机出现的项目数量）等任务中都得到一致的结果，后来，他提出记忆的“组块”（Chunk）原理，认为将记忆项目进行有意义的联想组合后，即时记忆的项目容量可以得到扩展：例如，USAFBICIA是长度为9的字符串，而对于了解美国基本政府结构的人来说，该字符串可以组合成三个组块：USA–FBI–CIA。
数字“7”启发许多研究者和对记忆感兴趣的教育学者进行记忆术训练，他们从不同联想角度出发极力扩展人类的记忆广度，从7开始，到20，甚至到80个数字（Chase et al.，1980）。
对“7”提出的质疑很快在Sperling（1960）的实验中得到验证。实验中，Sperling通过三行四列的方式排列12个字母，要求被试在测验中听到高音（中音/低音）时口头回忆出第一行（二行/三行）字母，结果发现他们能较为完美地回忆出任一行字母，由此推算，他们的即时记忆容量在12个字母左右。有趣的是，当实验者要求被试回忆所有12个字母并且把它们一一写在纸上时，被试仅能正确提取4个字母！Baddley等人（1975）的实验验证了后一种假设，他们发现，当要求被试在短时间内进行回忆时，拼读起来耗时更长的单词回忆正确率低于更短的单词，也就是说，长单词在复述中可能因为时间间隔长而容易被遗忘。
Broadbent（1975）从操作的角度讨论了“7”的不一致结果，他认为，“7”指的是短时记忆可能达到的容量，而非人类短时记忆的基本能力（即正确提取的广度）。为了确定短时记忆的基本容量单元，研究者开始尝试在实验中通过刺激的设置和任务的难度、注意分散等方式阻止组合产生，例如，要求被试进行快速的物体追踪和差异辨别（Pylyshyn & Storm, 1988; Luck & Vogel, 1997; Cowan, 2001），要求他们在当前编码同时执行其他任务（例如出声复述某个与任务无关的无意义短语），结果发现，4个左右的项目能被正确回忆。在一项操纵分心任务难度的实验中（Morey & Cowan, 2004），研究者要求被试在进行当前任务的同时出声复述一个、两个或7个随机生成的数字串；另有一个条件，要求被试出声复述自己的电话号码（长度也为7）。结果发现（见图3–4），当且仅当长度为7的随机数字需要复述时，被试对当前任务中的短时记忆才受到显著损害；另外，当被试对7个长度的随机数字复述错误时，其短时记忆任务成绩受到的影响尤其显著。不过，该研究在另一些实验中并没有得到一致的结果（Cocchini et al.，2002; Jefferies et al.，2004）。研究者就注意（特别是注意广度）和工作记忆容量的关系进行了一系列讨论，他们认为，工作记忆与注意没有一一对应的关系，但是分心任务的难度可能会影响到投入当前任务的注意能力，从而影响工作记忆容量（Cowan et al.，2007）。
图3–4 不同负载条件下被试的工作记忆容量
（资料来源：Morey & Cowan, 2004）
在探讨工作记忆容量“大小”之外，研究者感兴趣的另一个领域是与容量相关的对象特征，一个典型问题是，容量除了和注意有关之外，与记忆项目本身的复杂程度（属性维度、特征复杂度等）是否相关？在Luck和Vogel（1997）的实验中，研究者操纵物体属性（颜色、方向、大小、是否有间断点等）的数量和物体的数量（见图3–5），发现无论属性数量如何，被试的工作记忆容量在对象整体上都保持一致：由图可知，判断正确率在50%以上的刺激数量在4—12之间，而4个及以下数量的刺激对象在工作记忆中能得到较完整的保持。
那么，项目难度对工作记忆容量是否具有影响（Alvarez & Cavanagh, 2004; Eng et al.，2005; Awh et al.，2007; Zhang & Luck, 2008）？Alvarez和Cavanagh（2004）以Snodgrass线性图、阴影方块、任意多边形、汉字、字母和有色正方形为材料，比较变化侦测任务（Change Detection）过程中被试对六种对象的短时记忆，结果发现（见图3–6），有色方形的记忆容量最大（4.4），而阴影方块的容量最小（1.6）。可见，物体的加工复杂性（以视觉搜索时间为指标）程度越大，被试短时记忆容量越小，两者呈反比。根据Alverez等对“信息”的定义（I=C/N，其中I表示每个物体传递的信息，C表示记忆容量，N则表示物体数量），短时记忆能力受到物体“信息”量大小的限制。
图3–5 不同物体数量和属性数量条件下的工作记忆
（a中操纵的是注意负载；b中操纵的是物体方向、颜色和结合三个属性；c则增加了物体复杂性（间断）的维度）
（资料来源：Luck和Vogel, 1997）
Awh等人（2007）在研究中重复了Alvarez和Cavanagh的结果，但是他们接下来操纵变化侦测中目标侦测物体与新异物体的相似性，发现两者相似性水平较低（即目标侦测物体的改变较显著）时，被试对汉字（3.5）、阴影方块（4.2）等复杂图形的工作记忆容量和颜色方形等简单图形的工作容量相似（3.6），并没有发现复杂度的影响；相反，如果改变不明显，被试的工作记忆容量则受到极大损害（见图3–7）。
图3–6 物体辨别阈限与搜索速度的关系
（资料来源：Alvarez & Cavanagh, 2004）
图3–7 不同相似度条件下的工作记忆容量
（资料来源：Awh et al.，2007）
综上可知，工作记忆容量从“7”到“4”的改变衍射了近期该领域研究的进展，围绕工作容量问题的一系列探讨体现了“容量”概念的复杂性和研究者对此概念的进一步明确。
工作记忆和短时记忆在概念上常常发生混淆：后者是信息在短时间内的保持，而前者即包含信息的保持，也涉及信息的提取和操纵。Baddley和Hitch工作记忆模型中的“中央执行系统”生动地体现了两者在结构上的差异。随着认知神经科学的发展，在探讨工作记忆的神经生理基础时，工作记忆研究更多借助ERP、fMRI、PET、TMS等神经科学方法来了解它的神经生理基础。
Pessoa等人（2002）通过对比工作记忆任务和控制任务的脑激活情况，确定了以下几个与工作记忆相关的脑区：背侧枕叶、内侧颞叶、顶叶、运动前区和额叶。其中，背侧枕叶和内侧颞叶对工作记忆的编码贡献更大；而顶叶和额叶则对工作记忆的保持过程贡献更大。下面，我们就从这几个主要的脑区出发，分别讨论相关研究结论。
Baddley和Hitch（1975）的工作记忆模型对探讨其神经生理基础有深远影响：许多研究者从视觉—空间、听觉等角度出发探讨具有内容特殊性的工作记忆神经机制，从控制执行的角度出发来考察具有一般性的记忆神经机制。在过去的三十年中，额叶的作用得到充分讨论。早在1995年，D’Esposlto 等人就运用fMRI确定了额叶对工作记忆执行功能的重要性；Baddley等（1997）发现，额叶损伤不仅影响患者的工作记忆水平，而且不同部位的额叶损伤还可能影响不同的工作记忆任务操作水平（例如语言流畅性操作和双任务操作等）；Courtney（1997）则将额叶按功能分为三个部分：后部和额下沟（BA9/44）、脑岛前端附近的额下沟（BA45/47）和额前回（BA46）。研究表明，后部额叶与非特异性的视知觉相关，而额前回更多与保持过程相关（见图3–8）。
Ungerleider等（1998）从腹侧和背侧两个角度来探讨工作记忆中额叶的功能，他们发现，猴子和人的腹侧额叶都对物体工作记忆敏感，而背侧额叶则对物体空间工作记忆敏感，这与视觉的腹、背侧通路的信息加工特征有相似之处。Haxby等人（2000）进一步讨论了额叶的六个部分，他们认为，腹侧额叶在面孔工作记忆过程中激活持续时间更长，背外侧额叶在空间工作记忆中激活时间更长，而中间部分的额叶则在两种工作记忆中保持相似的激活水平（见表3–1）。这一结论在Courtney及其同事的进一步研究中得到细化（Sala et al.，2003）：通过增加其他任务（房屋识别），研究者确定背外侧额叶的激活强度与空间工作记忆相关，而中间和额叶下回激活强度与物体工作记忆相关。背侧额叶和腹侧额叶不仅在工作记忆的物体相关属性上具有特异性，而且在老化过程中也有不同特征：背侧额叶对短时记忆保持的敏感性随年龄增长逐渐消失，而腹侧额叶则呈现较稳定的态势（Rypma & Esposito, 2000）。
图3–8 与面容知觉相关、无关的脑区和与记忆延迟相关的脑区
（资料来源：Courtney et al.，1997）
表3–1 额叶六个部分的坐标定位
（续表）
（资料来源：Haxby et al.，2000）
内侧颞叶（Medial Temporal Lobe）主要包含海马即海马旁回等周边组织，它主要与长时记忆，特别是情境长时记忆相联系（Hirsh, 1974; Sutherland & Rudy, 1989; Cohen & Eichenbaum, 1993; Eichenbaum, 1999; Yonelinas et al.，2001; Giovanello et al.，2004）。一些研究还发现，内侧颞叶损伤的遗忘症患者在完成一些短时记忆任务时表现良好（Cave & Squire, 1992; Cohen & Eichenbaum, 1993）。那么，内侧颞叶是否对工作记忆毫无贡献？
在Owen等（1996）比较的三组脑切除患者和控制组中，双侧额叶切除患者在空间工作记忆中受到极大损伤，而单侧颞叶切除和杏仁海马切除患者在视觉工作记忆中表现较差。研究者认为，前者影响人们提取、运用记忆策略的过程，后者则影响工作记忆的执行功能。Mitchell等人（2000）在研究海马的老化特征时发现，即使记忆延迟时间短至8秒钟，海马仍对短时记忆的特征整合有所贡献；Olson及其同事（2006）详细讨论了短时间内（1秒vs.8秒）工作记忆与内侧颞叶的关系，通过比较海马损伤遗忘症患者和正常人群在工作记忆任务（单个特征vs.整体特征）中的表现，研究者发现，海马损伤患者对物体整体特征的工作记忆水平显著降低，而他们对于整体特征的短时记忆损伤与特征负载大小并无关系，也就是说，内侧颞叶在工作记忆中的主要功能就是整合多个维度的信息。
另一个与工作记忆有关的颞叶区域是颞叶下回（Inferior Temporal Lobe）。研究者认为（Nee & Jonides, 2008），颞叶下回与工作记忆中的注意控制相关，对于注意集中的项目，提取过程中颞叶下回激活增强，同时，腹侧前额叶和后侧顶叶与颞叶下回的激活关联性增强。
如前所述，工作记忆既包含特定信息的短时间保存，又涉及信息之间的注意转化和提取执行，因此，人们在完成具体工作记忆任务时，不仅需要额叶的“控制执行”功能，而且要求其他信息处理相关区域的参与。例如，在视觉工作记忆中，枕叶（Occipital Lobe），特别是纹状皮质（Striate Cortex）常常与前额叶共同激活，不过前者更多贡献于知觉过程（Haxby et al.，2000）；在言语工作记忆过程中，颞叶（Wernicke区、Broca区、边缘上回）激活增强，其中，边缘上回与语音信息贮存相关，而Broca区与言语复述（默读）相关（Paulesu et al.，1993）。Xu和Chun（2006）发表在Nature上的一篇报告更是将工作记忆与顶内沟（Intra-Parietal Sulus）和枕叶的神经功能整合起来，他们认为前者贡献于工作记忆的固定容量，后者则与工作记忆对物体复杂特征的可变性相关。
对工作记忆神经机制的研究不仅有利于我们了解工作记忆的神经生理基础，而且可以用来预测和训练人们的工作记忆水平。研究者发现，记忆保持过程中前额叶激活程度（累积波幅）可用以预测个体差异以及工作记忆的正确性（Vogel et al.，2005）：对于工作记忆容量较低的个体来说，其额叶激活程度在物体数量较低时就达到高原期；而与提取错误的情况相比，正确提取信息的保持过程中，额叶激活程度更高。Olesen等人的研究小组采用视觉空间工作记忆任务、扫描任务、Stroop任务等训练人们的工作记忆水平，通过比较训练前后（5周）的行为及神经生理水平，研究者发现，被试的左侧额中回、双侧顶上、顶内和顶下沟激活程度都得到增强（见图3–9）。可见，工作记忆对应的大脑区域具有极强的可塑性。
图3–9 工作记忆任务训练5周后得到增强的脑区
（资料来源：Olesen et al.，2004）
本章小结
本章内容从Baddeley的经典工作记忆模型出发，阐述了语音环、视觉空间模板和中央执行系统等组成部分在信息贮存和提取过程中的功能和神经生理基础。其中，我们重点介绍了近年来围绕中央执行系统的一系列探讨，对Cowan和Ericsson提出的长时工作记忆概念进行了重点讲述。我们看到，工作记忆的新近研究极大改变了研究者对于它的认识：工作记忆不只是一种短时记忆；工作记忆的短时容量不是简单的7±2，而是4个组块；在神经心理学层面，工作记忆不只是与额叶相关，还与颞叶相关，它的复杂性远高于以往的估计。