人类超常记忆的认知神经科学研究综述_胡谊

人类超常记忆的认知神经科学研究综述

胡　谊 　徐　茜

(华东师范大学心理与认知科学学院,上海,200062)

摘　要　借助脑成像技术,人类超常记忆研究揭示出:世界记忆大师与常人存在显著的脑功能差异,如海马等区域的激活;随着领域内训练增加,知识与经验逐渐取代一般能力来影响记忆活动,如在空间记忆任务上相关脑区激活量减少且集中;行为层面的记忆理论找到了相应的电生理基础,如国际象棋记忆的“组块”位于颞叶,音乐领域的“长时工作记忆”与脑区负波有关。同时,期待更多从生理层面上来揭示人类超常记忆能力实质的研究。关键词　超常记忆　脑成像　认知神经科学

1　引言

　　具有超常记忆的人通常被称为记忆专家、记忆天才或记

忆大师;其异于常人的表现主要有两种形式[1]:一种是以记忆为主要活动的超常记忆,如数字记忆、空间记忆、字词记忆等;另一种是存在于某类领域活动之中的超常记忆,如音乐记忆、象棋记忆、算盘记忆、心算记忆等。无论何种形式的超常记忆,如要从认知神经科学角度来探讨其生理原因,需要回答这样四个问题:超常记忆是先天的还是后天的?超常记忆受一般能力影响大,还是与专门领域经验的关系更为密切?与超常记忆有关的特定领域知识,是否可以找到对应的脑区域活动?调节超常记忆的内在认知机制,是否可以发现相应的生理证据?

步,上一研究通过fMRI技术发现,世界记忆大师与常人在记忆数字、人脸图形、雪花片图形这三类材料上,存在这样两个差异:(1)尽管两组被试的某些脑区域,如右小脑,在各类刺激上都处于激活状态,但对记忆大师来说更为活跃;(2)在某些阈限水平上,有些脑区域的激活仅出现在记忆大师身上。甚至,某些脑区域的激活出现在记忆大师学习所有材料上,如左内顶上回、双侧后夹肌皮层、右侧海马后部。通常,这些脑区域被认为对记忆来说相当重要,尤其是在空间记忆上。值得注意,在所有学习材料上一致出现的大师与常人的脑激活差异,与下述行为差异似乎矛盾,即:大师与常人的记忆成绩在数字材料上差异最大,人脸图形材料上差异不明显,雪花片图形材料上趋同。这表明,与常人相比,大师一直是激活同样的脑区域来识记不同材料,尽管有时奏效有时不奏效。之后的言语报告则揭示出,大师在大多数情形下倾向使用“位置法”这一记忆术。据此,研究者认为,世界级记忆大师的超常记忆能力得益于其大脑的功能性使用,具体来说就是使用了特殊的记忆术。2.2　超常记忆:一般能力影响还是领域特殊经验的作用?人类超常记忆,尤其是某个领域内的记忆表现,是否与一般认知能力有较高的相关?已有研究表明,智力高与智力低的被试相比,即使行为水平相同,但前一类人使用大脑效率较高,体现为皮层活动少且集中(Neubauer&Fink,

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2003)。但是,这一现象是否仍然在记忆专长任务上出现呢?

Grabner等人(2003)研究了31位男性出租车司机的记忆活动[6]。被试的任务是识记某个地图。识记材料有两类:(1)真实地图,有两条路线,各自联系30个地名;之后,判断某个地名或地点是否在这个地图的特定路线上;这一情形下的任务被称为专长任务;(2)虚拟地图,有5个抽象的城市地图,各自联系12条路线;之后,判断先前识记的线路是否经过某个特定点;这一情形下的任务被称为智力任务。在判断活动中,研究者记录被试大脑的EEG活动状况。

经过智商测试(APM;Raven,1958),被试分为两组:高智商组和低智商组。研究发现,在智力任务上,低智商的人出现较多的事件相关去同步化(event-relateddesynchroniza-tion,ERD)(即高频低振幅的波形,或脑电节律由小变大),且

2　研究现状

2.1　超常记忆:脑结构还是脑功能?

超常记忆是否关联于特殊脑结构?Maguire等人(2000,

2006)关于空间记忆活动的研究发现,伦敦出租车司机的大脑海马结构与常人存在差异;甚至,出租车司机与公交车司机也存在大脑结构性差异[3]。具体来说,结果发现,空间记忆专长水平与海马回灰质体积大小有关,但这仅仅出现在出租车司机身上,即随着经验的增加,他们右后方的灰质体积增加,并且前面的灰质体积减少;与公交车司机相比,出租车司机中后海马回灰质体积更大,前海马回灰质体积较小。

上述空间记忆方面的脑结构差异,在有些超常记忆任务上却没有出现。Maguire等人(2003)对擅长各类数字记忆的世界级别记忆大师(参加吉尼斯世界记忆大赛的选手)的脑结构进行扫描,但没有发现任何与常人的结构性差异[4]。

为什么会有这样截然不同的结果呢?其原因可能在于不同的记忆任务。研究者认为,世界记忆大师偏重于采用各类记忆术来短时间内记忆大量信息,时间一长,则需要有选择性的遗忘某些信息;而出租车司机则不然,他们需要记忆大量关于城市地图的路线,以备随时之需,所以储存了丰富的空间记忆信息。

与探讨超常记忆的脑结构特征相比,如何解释记忆大师使用大脑,则更容易揭示某些后天获得的认知特性。进一

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基金项目:上海市哲学社会科学规划课题“人类超常记忆能力的研究:专长心理视角”(2007BJY003)。 通讯作者:胡谊。E-mail:yhu@psy.ecnu.edu.cn　644心　理　科　学　　　

广泛地分布在大脑皮层,涉及枕叶、顶叶、颞叶甚至是中央区域;而高智商的人皮层激活也发生在大脑皮层后面区域,但是整个的激活量要少。在专长任务上,两个智商组无论在脑区域还是激活量方面,都没有较大差异。

为什么会出现这样的现象呢?在领域无关的任务(智力任务)上,智力水平起重要作用,即高智商的人擅于使用大脑;在领域有关的任务(专长任务)上,智力的作用被专长知识所取代,因此不能发现两组被试在ERD方面的差异。这一研究表明,随着领域经验的增加,类似智力这类一般能力对记忆活动的影响越来越弱,取而代之的是领域内具体知识或能力的作用越来越强。2.3　超常记忆:特殊领域知识的脑基础?

记忆专家储存了大量专门领域的知识,如组块(Chase&

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Simon,1973)或模板(Gobet&Simon,1996)。正因为

和颞下回;同时,在楔前叶、后扣带皮质、缘上回上发现更多激活。比赛棋谱与随机棋谱的脑活动比较,则发现在左侧海

马旁回有更多激活。因此,研究得出,在记忆再认的活动中,与下棋活动有关的国际象棋组块及其加工在大脑颞叶之中。

表面上看,Amidzic等人与Campitelli等人的研究存在矛盾:运用ECD模型的研究发现,大师在下棋时其大脑新皮层激活更多,而业余棋手是颞叶内侧和邻近结构;而运用fMRI技术的研究却发现专家棋手在识记棋谱时,是颞叶区域更多激活。两个研究之所以得出不同结论,可能在于不同的研究任务,前一研究中是下棋活动,涉及记忆、预测、决策等认知过程;而后一研究中是再认活动,更多与工作记忆有关。同时,在被试选择上,后一研究中的专家棋手的等级分处于1750-2200之间,刚好介于前一研究两组被试之间,因此无法做简单比较。但是,两个研究在这一点上却是相同的,即大脑颞叶区域对国际象棋领域中超常记忆(如组块的生成与提取)起着至关重要的作用。2.4　超常记忆:特殊认知机制的脑活动?

之所以在某个领域具有超常的记忆能力,除了特殊知识(如组块)之外,还在于获得了专属于这个领域的认知机制,如长时工作记忆(long-termworkingmemory,LTWM)中的检索结构(retrievalstructure)的形成与使用[12]。但是,这类特殊领域的检索结构,是否有对应的生理基础呢?

Williamon和Egner(2004)记录了6名皇家音乐学院(伦

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敦)钢琴手在识记琴谱活动上的大脑EEG活动状况。所给出的识记琴谱是J.S.巴赫一段A小调序曲;此曲可分为8段结构式小节和24段非结构式小节。测试时,额外增加了32段不是该序曲中的小节,一共64个刺激;要求被试做出再认反应。

研究发现,在行为指标方面,被试在对结构式小节和非结构式小节的再认任务上,反应时有显著差异;但在序曲中小节和非序曲中小节上,反应时无显著差异。在脑成像数据上,ERP波形表现出四种成分:(1)早期负波(50-150ms),(2)早期正波(150-250ms),(3)晚期负波(250-400ms),(4)晚期正波(400-550ms)。时间段与小节类型在波峰振幅上有交互作用。在晚期负波,发现显著的小节类型效应,并且早期负波中,小节类型效应趋向于显著水平。具体表现为,相对于非结构式小节(包括序曲中的和非序曲中的小节),结构式小节的两种负波的振幅更大。同时,通过比较结构式小节和非结构式小节的ERP地形图,发现晚期负波振幅的差异在右中部和后部皮层区域最显著,早期负波振幅的差异在左额、右额、左中部,尤其是左颞皮层部位最显著。而且,早期负波效应与晚期负波效应是互相独立的。

上述在结构式小节和非结构式小节上的行为及生理差异,验证了长时工作记忆理论对音乐认知的某些预测,即存在一类特殊的检索结构,引发了概念式再认效应而非知觉性再认效应,因而导致被试反应时更快,且早期和晚期负波的波形更负。相对于常人,领域专家具有使用长时工作记忆这一特殊脑活动方式,这在心算领域也得到证实。

Pesenti等人(2001)研究了一位心算天才R.Gamm(26

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岁)的超强计算能力和记忆能力,并与常人进行对照。被试任务有两类:一是需要通过计算的问题(如68×76=

此,国际象棋大师在记忆或识别熟悉棋谱上具有一定优势。

但是,从认知心理学研究中提出的“组块”这一概念,是否有相应的生理基础呢?

Amidzic等人(2001,2006)运用γ波段的等效电流偶极子(equivalentcurrentdipole,ECD)模型这一手段,比较了10位一流国际象棋大师和10位业余棋手的记忆活动[9,10]。研究发现,激活大师的记忆组块,可以产生局部的γ波段活动,这主要存在于新皮层区域。在下棋时,大师在提取长时记忆中贮存的信息,激活新皮层中细胞群;而新手主要在编码新信息,激活颞叶结构和海马。因此,存在这样一种可能,颞叶和海马结构在超常记忆于新皮层生成过程中起过渡作用;同时,也存在这样的可能,组块与组块生成,以及大脑在新皮层存储与操作组块,将决定某个特定任务上的天赋表现,并在超常记忆中起关键作用。

上述研究只是探讨了棋手在下棋活动状况(包括记忆、预测、决策等),从整体上比较相关脑区域激活状况。但是,在具体识记任务上,是否可以直接探测到“组块”的精确定位呢?Campitelli等人(2007)通过fMRI技术,探索了国际象棋

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棋手的组块的脑定位。研究者分析了5名专家级别棋手在四类刺激的再认任务中表现,具体是:(1)比赛棋谱,来自正式比赛中的棋局,这只涉及简单的知觉-动作反应,不涉及复杂的知觉-思维活动;(2)随机棋谱,棋子随机摆放在棋盘上,这虽然涉及国际象棋的知觉活动,但较少涉及与比赛有关的组块知觉;(3)图形组合,由各种几何图形(如圆形、方形、三角形等)组成,这虽然涉及知觉-思维活动,但与国际象棋知觉活动无关;(4)定点棋谱,有一个黑点在棋谱的某个方格中,这涉及与比赛有关的组块识别活动。在前三类刺激情境中,被试任务是对每个测验刺激做出判断,即是否与样例刺激相同;在最后一类刺激情境中,被试任务是判断测验刺激是否有黑点。

研究假设,在脑活动上,比赛棋谱与定点棋谱的比较可揭示工作记忆成分,比赛棋谱与图形组合的比较可揭示长时记忆成分,比赛棋谱与随机棋谱的比较可揭示长时记忆中组块成分。结果表明,在脑成像数据上,比赛棋谱与定点棋谱的脑活动比较,发现在额前皮层背侧和顶叶具有更多激活,而在颞叶上几乎没有激活。比赛棋谱与图形组合的脑活动比较,发现在颞叶区域存在较多激活,如在梭状回、海马旁回胡谊等:人类超常记忆的认知神经科学研究综述　645

5168),二是直接从记忆中提取的问题(如2×2=4)。由于计算能力水平的差异,给计算天才呈现的问题任务要难,常人

组被试的问题任务要简单点。

研究结果表明,在两类问题上,计算天才与常人组一样,都会激活左侧大脑的这些区域:缘上回、顶内沟、枕下回和枕中回、枕叶-颞叶结合部。这些区域主要涉及视觉-空间工作记忆和视觉表象网络,这表明数字的存贮和操作是以视觉短时表征形式来处理。但是,计算天才会激活额外的五个脑区域,即额内叶、海马旁回、扣带回前上部、右侧大脑的枕叶-颞叶结合部、左侧中央旁小叶。这表明计算天才的计算大多与事件记忆有关,存在事件记忆编码以及提取中间结果的现象,这使得他在计算时能快速从长时记忆中存储和提取算术信息。此研究又一次证明了长时工作记忆对领域任务的重要性。

从上述研究可以推论,如要提高记忆能力,仅仅强化现有认知加工和局部脑激活,并不能奏效。这是因为,超级记忆或计算能力涉及另一些脑区域的新认知加工。具体来说,对依赖于突出记忆的计算能力来说,新的认知过程涉及从短期有意识的存储策略,向高效的事件记忆编码和检索策略、运用自动化解题算法,周详调控解题的转变。这一长时事件记忆机制的获得,突破了人的工作记忆限制,直接解释了超常计算能力的原因。

2Maguire,E.A.,Gadian,D.G.,

Johnsrude,I.S.,Good,C.D.,Ashburner,J.,Frackowiak,R.S.,&Frith,C.D.(2000).Navigation-relatedstructuralchangeinthehippocampioftaxidrivers.ProceedingsoftheNa-tionalAcademyScience,97(8),4398-4403

3Maguire,E.A.,Woollett,K.,&Spiers,H.J.(2006).Lon-dontaxidriversandbusdrivers:AstructuralMRIandneuropsy-chologicalanalysis.Hippocampus,16,1091-1101

4Maguire,E.A.,Valentine,E.R.,Wilding,J.M.,&Kapur,N.(2003).Routestoremembering:Thebrainsbehindsuperiormemory.NatureNeuroscience,6(1),90-95

5Neubauer,A.C.&Fink,A.(2003).Fluidintelligenceandneu-ralefficiency:Effectsoftaskcomplexityandsex.PersonalityandIndividualDifferences,35,811-827

6Grabner,R.H.,Neubauer,A.C.,&Stern,E.(2003).Whenintelligencelosesitsimpact:Neuralefficiencyduringreasoninginafamiliararea.InternationalJournalofPsychophysiology,49(2),89-98

78

Chase,W.G.,&Simon,H.A.(1973).Perceptioninchess.CognitivePsychology,4,55-81

Gobet,F.,&Simon,H.A.(1996).Templatesinchessmemo-ry:Amechanismforrecallingseveralboards.CognitivePsycholo-gy,31(1),1-40

9Amidzic,O.,Riehle,H.J.,Fehr,T.,Wienbruch,C.,&El-bert,T.(2001).Patternoffocalγ-burstsinchessplayers.Na-ture,412,603-604

3　研究结论

借助脑成像技术,关于人类超常记忆能力可以得出这样

的结论:(1)主要由后天所导致,具体来说在于特定的用脑活动方式;(2)与领域内特殊经验密切相关;(3)可以发现特定知识结构(如组块)和认知机制(如长时工作记忆)对应的脑活动状况。由于目前此领域研究并不是很多,今后可能需要研究拥有超常记忆的更多被试,发展出更为有效的脑成像技术;并与行为层面和认知层面的心理学研究一起,进一步揭示该类型记忆的实质,尤其是从新手到顶级记忆专家的发展过程,进而为促进个体尽快成为某领域记忆专家提供更有建设意义的科学建议。

1110

Amidzic,O.,Riehle,H.J.,&Elbert,T.(2006).Towardapsychophysiologyofexpertise:Focalmagneticgammaburstsasasignatureofmemorychunksandtheaptitudeofchessplayers.JournalofPsychophysiology,20(4),253-258

Campitelli,G.,Gobet,F.,Head.,K.Buckley,M.,&Parker,A..(2007).Brainlocalisationofmemorychunksinchessplayers.InternationalJournalofNeuroscience,117,1641-1659

1213

Ericsson,K.A.,&Kintsch,W.(1995).Long-termworkingmemory.PsychologicalReview,102(2),211-245

Williamon,A.,&Egner,T.,(2004).Memorystructuresforencodingandretrievingapieceofmusic:anERPinvestigation.CognitiveBrainResearch,22,36-44

4　参考文献

1

Ericsson,K.A.,&Lehmann,A.C.(1996).Expertandex-ceptionalperformance:Evidenceonmaximaladaptationsontaskconstraints.AnnualReviewofPsychology,47,273-305

14Pesenti,M.,Zago,L.,Crivello,F.,Mellet,E.,Samson,D.,Duroux,B.,Seron,X.,Mazoyer,B.,&Tzourio-Mazoyer,N.(2001).Mentalcalculationinaprodigyissustainedbyrightprefrontalandmedialtemporalareas.NatureNeuroscience,4,103-107

AReviewonNeurocognitiveResearchinSuperiorMemory

HuYi,XuQian

(SchoolofPsychologicalandCognitiveScience,EastChinaNormalUniversity,Shanghai,200062)

Abstract　Usingbrainimaging,researchonsuperiormemoryhasdisclosedthatcomparedtoaveragepeople,mastersintheWorldMemoryChampionshiphavefunctionalbraindifferencessuchastheactivationoftherightposteriorhippocampus.Withmoretraining

intheareaconcerned,knowledgeandexperienceplayamoreimportantroleinthedomain-specificmemoryinsteadofgeneralcognitiveabilities,asshowedbythedecreaseofERD.Thebraincorrelatesofchunksinchessaresupposedtobeinthetemporalarea.Evi-dencesfortheLTWMinthebrainarealsofound.Morecognitiveneuroscienceresearchonsuperiormemoryisneededtobedoneinthefuture.

Keywords　SuperiorMemory,BrainImaging,CognitiveNeuroscience