刘强教授团队揭示工作记忆离线态存储具有稳定的存储特性

本文来源：四川师范大学脑与心理科学研究院官网

设象一下如下情境：你正在逛商场，看到广告图片中有一个蓝色茶杯并准备购买一个同款的，此时你的工作记忆系统将保持蓝色茶杯的内容以用于寻找。此时，你的老板突然发来一张图片让你去帮忙买一个黑色保温杯。你只好先优先去完成上级交代的任务，先买黑色保温杯。黑色保温杯将变更为你工作记忆系统维持的内容，而蓝色茶杯则被搁置。当你成功挑选好黑色保温杯后，依然能成功回忆起蓝色茶杯并继续寻找。研究者认为，我们的工作记忆内容可以存储在两种不同的状态下。在案例中，由于当前正在进行的任务为购买黑色保温杯，因此黑色保温杯存储在在线状态，而蓝色茶杯做为在当前不用但随后会被用到的存储内容，会暂时被搁置并存储在离线态。研究发现，在线态存储和离线态存储具有各自独立的存储资源（Li et al., 2021）；在线状态存储在大脑中有相对应的持续的神经活动，离线态存储则缺乏相应的神经活动(Stokes, 2015; Wolff et al., 2017)。

由于离线态存储没有相关的神经活动，难以被有效标定。因此，以往缺乏研究揭示该状态的存储特性。近期，我院学习与记忆研究团队在国际权威的实验心理学杂志Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition上发表题为“The Passive State: A Protective Mechanism for Information in Working Memory Tasks”的研究论文，对这一问题进行了回答。该研究基于脑电和行为实验，首次验证了离线态存储信息具有稳定的特性，不易受损，但在记忆信息被转换到离线态存储的过程中记忆信息会遭受损失。

该研究主要通过三个实验来进行。通过脑电CDA指标来检测信息是否已经被从在线态移除，并比较行为结果查看记忆信息是否会受到损失。CDA是一种纪录在线状态记忆表征数量的指标，其幅值随着记忆表征数量的增加而增大，直到3-4个项目时达到渐近线，通常被认为反映了工作记忆容量(Luria et al., 2016; Vogel & Machizawa, 2004; Vogel et al., 2005).

实验1主要目的是探讨序列呈现范式是否能够让被试将先记忆的信息存储到被动态。如图1所示，被试需要依次记忆两个记忆序列，每个记忆序列需要记忆2个项目，相对应的经过两个保持期(delay 1, delay 2)。然后分block进行backward test和combined test项目探测。在backward test中，被试需要先对第二个记忆序列(M2)进行探测(probe 2)，再对第一个记忆序列(M1)进行探测(probe 1)。在combined test中，被试需要在同一个探测界面对两个记忆序列(M1和M2)进行探测。

图1 实验1流程图

(图片引自：Zhang et al., 2021)

实验1结果发现(图2)，在combined test中，在delay 2的CDA幅值显著高于delay 1；而在backward test中则没有这种差异，但是M1正确率显著高于随机水平(50%)，表明这种分段检测任务能够让M1存储在离线态。另外，backward test中M1的正确率比M2更低，而在combined test中M1和M2正确率没差异，都低于backward test中M2的正确率。这些结果表明combined test中存储在在线态中的信息会相互干扰而造成损失，同时也证明了backward test中的M1受到损失。这种损失可能来自两方面：(1)信息状态转换造成的损失，即M1从在线态转化到离线态发生信息损失；(2)信息存储在离线态容易损失(随时间消退或者受到干扰)。

图2 实验1结果

(图片引自：Zhang et al., 2021)

实验2通过设置两种不同的检测任务(backward test和forward test)来探讨记忆表征存储在离线态是否容易随时间衰退或者受到干扰。其中，backward test和实验1一样，而在forward test中被试需要先对M1进行探测，再对M2进行探测。研究假设，两种检测任务下，在M2呈现时，M1的存储都将被转入到离线态存储，但相对于forward test任务，backward test任务下M1的在被动态存储的时间更长，且经历了M2探测项的知觉加工及决策的任务干扰。如果信息存储在被动态容易损失，那么当把M1的探测提前(forward test)时，其记忆成绩应该显著高于backward test；否则，实验1的backward test中所发现的M1损失主要来自记忆表征存储状态的转换。

CDA结果发现，在两种分段探测任务中，前后两段CDA幅值均没有差异，表明M1存储在离线态。行为结果上，M1的正确率在两种探测任务中没有显著性差异。这些结果表明记忆信息的损失发生在状态转换阶段，而一旦信息存储在离线态后，则不易受损。

图3 实验2结果

(图片引自：Zhang et al., 2021)

尽管实验2已经发现在forward test中delay 1和delay 2的两段CDA幅值没有差异。但是这并不必然说明M1表征存储在离线态了，还有两种可能性能够解释这一结果：(1)由于M1要先探测，因此M2可能直接转入到被动态，因而在delay 2纪录的CDA实际上是反映M1的记忆表征；(2)M1和M2在delay 2交替进出在线态，因而在delay2阶段纪录的实际上是M1和M2的平均CDA。针对这两种可能性，实验3进行补充验证。

实验3只进行forward test任务，并设置两个记忆序列(M1和M2)的记忆负荷分别为1和2。如果在delay 2阶段的CDA会纪录M1的记忆表征，那么M1的记忆负荷肯定能对delay 2的CDA幅值造成影响；否则，delay 1和delay 2分别纪录M1和M2的记忆表征。实验结果(图4)发现delay 2的CDA只随着M2负荷的变化而变化，结果进一步支持了forward test中M1表征确实存储在被动态。

图4 实验3结果

(图片引自：Zhang et al., 2021)

综上，本研究首次通过实验证明了记忆信息存储状态的转换会导致信息损失，但存储在离线态的记忆信息具有稳定的特性，不易受到干扰。离线存储状态的存在，可以被看做是工作记忆系统的一种信息保护机制。

我院学习与记忆研究团队负责人刘强教授为该成果通讯作者；其指导的已毕业硕士研究生张加峰（目前为中国科学院心理在读博士生）为该研究第一作者。该工作得到了国家自然科学基金项目（31970989）的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1037/xlm0001092

参考文献：

Luria, R., Balaban, H., Awh, E., & Vogel, E. K. (2016). The contralateral delay activity as a neural measure of visual working memory. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 62, 100-108.

Stokes, M. G. (2015). ‘Activity-silent’ working memory in prefrontal cortex: a dynamic coding framework. Trends in Cognitive Sciences, 19(7), 394-405.

Wolff, M. J., Jochim, J., Akyürek, E. G., & Stokes, M. G. (2017). Dynamic hidden states underlying working-memory-guided behavior. Nature Neuroscience, 20(6), 864.

Vogel, E. K., & Machizawa, M. G. (2004). Neural activity predicts individual differences in visual working memory capacity. Nature, 428(6984), 748-751.

Vogel, E. K., McCollough, A. W., & Machizawa, M. G. (2005). Neural measures reveal individual differences in controlling access to working memory. Nature, 438(7067), 500-503.

Zhang, J., Ye, C., Sun, H-J., Zhou, J., Liang, T., Li, Y., Liu, Q*. (2021). The passive state: a protection mechanism for information in working memory tasks. Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition. Doi: 10.1037/xlm0001092

Li, Z., Liang, T.,  Liu, Q*. (2021) The storage resources of the active and passive states are independent in visual working memory. Cognition, Doi: 10.1016/j.cognition.2021.104911

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