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视觉工作记忆精度的计算模型、神经机制与临床应用

赵轶劼  
【摘要】:视觉工作记忆是指在较短时间内对视觉信息进行保持和操作、以完成目标导向任务的能力。视觉工作记忆被认为是认知功能的基础,与注意、语言、逻辑推理、智力等多方面能力有着十分紧密的联系。然而,视觉工作记忆具体的加工机制至今还没有定论。广受认可的两大理论为离散插槽理论和连续资源理论,而这两个理论之间的争论,主要在于工作记忆存储形式是离散的组块还是连续可分的认知资源。在连续资源理论框架下,近期提出的变化精度模型认为记忆精度在客体与试次间存在动态变化,且平均记忆精度随记忆负荷增加而不断下降,并在行为数据拟合方面优于其它主流的计算模型。变化精度模型虽然在理论和计算层面占有优势,但缺乏神经科学上的证据,且仍缺乏实际的应用。本论文将从神经数据的角度为这一模型提供支撑,并尝试将模型应用于临床数据,从理论和实践两方面论证变化精度模型的价值。全文采用统一的连续回忆任务范式,在实验过程中首先呈现包含若干客体的记忆样本,要求被试记住客体的某些特征(如颜色、朝向),在一段时间的延迟后,被试需要按要求回忆出某一客体的具体特征,并通过鼠标在色环上点选或通过鼠标转动刺激朝向进行选择。第一部分的三个实验主要研究了变化精度模型的神经基础。首先,基于变化精度模型对记忆精度在试次间变化的假设,实验一使用单变量功能磁共振的方法,探索了大脑中与试次精度相关的脑区。结果发现,外侧枕叶复合区(LOC)的神经活动与试次水平的反应误差相关,活动越强则误差越小,亦即精度越高;并且LOC的活动可以预测磁共振外通过另一组行为数据建模得到的精度值。这些结果证明了感觉皮层在工作记忆精度维持中的重要作用。更进一步,在高记忆负荷时,LOC与额下联合区(IFJ)的功能连接增强,证明额叶皮层与感觉皮层共同完成高难度记忆任务。实验二使用经颅磁刺激的方式进一步验证上述皮层区域在视觉工作记忆中的因果性作用,包括LOC、早期视觉皮层(EVC)以及IFJ区域。结果发现,对于这三个脑区施加单脉冲经颅磁刺激均可以改变工作记忆精度,并且对LOC刺激的影响效果更强。这些结果表明,LOC的活动可以追踪试次间的视觉工作记忆精度变化,为变化精度模型提供了神经证据支持。那么这些精度变化以何种模式表征在神经层面上,又如何随记忆负荷发生变化?实验三使用了反向编码模型的多变量功能磁共振分析方法来考察视觉皮层对单一客体的表征随记忆负荷的变化情况。结果发现,在记忆负荷上升时,与记忆客体相对应的早期视觉皮层感受野的体素对视觉特征的表征强度降低,而位于更高视觉层级的V3a的表征强度随记忆负荷的增加而增加,且在延时过程中的表征持续时间长于早期视觉皮层,暗示了工作记忆中变化精度表征的层级结构,且高级皮层可能存在对初级皮层的调控作用。第二部分的两个实验进一步将变化精度模型应用于精神分裂症病人,结果证明变化精度模型仍然比传统模型具有数据拟合方面的优势。两个实验均发现精神分裂症患者在视觉工作记忆能力方面相对正常人存在显著的受损,然而仔细分析模型拟合结果发现,病人的视觉工作记忆容量(实验四)与选择性注意功能(实验五)并未体现出与健康对照组间显著的差异,挑战了前人的相关研究结论。值得注意的是,在变化精度模型中表示资源分配变异度的参数上,病人体现出了比健康被试更大的变异量,也就是说,精神分裂症患者工作记忆能力受损的原因在于,他们在试次间与客体间资源分配的变异性较大,从而体现为较差的行为表现。更进一步,这一资源分配的变异度可以预测病人的简明精神量表评分以及阴性症状评分,提示变化精度模型未来在临床上可能的应用价值。综上所述,本论文的系列研究发现与试次水平的记忆精度相关的神经活动,并证明其与行为之间存在因果关联,进一步感觉皮层的表征调谐曲线随记忆负荷的增加而降低,这些研究结果均为变化精度模型提供了神经证据支持。更有趣的是,变化精度模型的参数揭示出,资源分配的变异性增大才是导致精神分裂症病人工作记忆能力下降的主要原因,未来基于这一参数的方法可能为精神分裂症患者的诊断和干预提供帮助。


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