我們大腦的「緩存」有多大？

文 / @東華君

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微信公眾號的版本：我們大腦的「緩存」有多大？

哈哈，剛發現知識分子的知乎專欄也發布了：我們大腦的「緩存」有多大？

本文已被知乎日報收錄：老闆，再給我大腦加個內存條，最近不夠用了

在日常生活中，我們時刻都面臨著不同的選擇，需要解決許多困難和問題。為了應對各種認知任務，我們需要大腦能在短時間內保存和處理各種信息，完成這個過程的大腦系統就是「工作記憶」（working memory，圖1）。它是語言理解、學習與記憶、推理和計劃等複雜認知能力的基礎[1]。

工作記憶作為一個「思維的黑板」 （blackboard of the mind）[2]，能為我們提供一個界面，我們可以在這個界面上暫時放置信息，使其「浮現在腦海」。然後我們可以通過一些處理，將這些信息與其他信息聯繫或轉換為新的信息[3]。例如，工作記憶允許我們記住電話號碼、完成心算和計劃接下來的事情。這些過程通常都在秒級的時間內完成。

圖1. 工作記憶的定義

什麼是「工作記憶容量」？

我們能在某一時刻快速保存、注意或者維持的信息的數目就是工作記憶的「容量」[4]。簡單的用電腦做比喻的話，大腦皮層就是我們的「硬碟」，裡面存儲著海量的信息（記憶）；而工作記憶就是我們大腦的「緩存」，工作記憶容量就是「緩存」的容量大小。前額葉皮層（prefrontal cortex, PFC）有如我們的「CPU」。每次執行認知相關任務時，「CPU」會將外界的「輸入」（外界的刺激：視覺、聽覺等感官刺激）和「硬碟」裡面存儲的某些信息（腦內的記憶：經驗、知識等）放進「緩存」裡面進行相關運算。我們知道電腦的硬碟通常很大，但是為了提升運行速度，「緩存」通常比較小。對於工作記憶的容量，也是同樣的道理。這種限制很容易就能體會到：我們很難同時進行多項認知任務（比如，邊打電話邊看書）。

工作記憶容量影響高級認知功能

工作記憶是人類認知功能的基礎。個體間工作記憶容量有一定的差異，這與注意力調控、非言語推理以及學業成績等重要的能力高度相關[5]。並且，患有精神分裂症、中風、腦外傷和注意力缺陷多動障礙（ADHD）等神經精神疾病的人群通常表現出工作記憶容量的下降 [6]。

從兒童期到青春期，我們的工作記憶容量會逐漸增加。這為我們研究工作記憶容量對認知功能的影響提供了良好的機會。某些研究人員認為工作記憶容量的增加是認知功能增長的主要驅動力[7]。一項研究發現，兒童的工作記憶容量可以預測一年之後的推理能力[8]。認知任務的複雜程度可以表示為解決問題時必須同時考慮的項目（item）和項目間關係的數量。而在一系列認知任務測試中，兒童掌握相似複雜程度任務的年齡也基本相同，這提示工作記憶容量可能決定了兒童能掌握的認知任務的複雜程度[9]。這些結果都暗示有限的工作記憶容量可能是高級認知功能的核心限制因素之一。

我們的工作記憶容量有多大？

神奇的數字「4」

最早對工作記憶容量做出測量的是美國心理學家George A. Miller，他在1956年發表了一篇名為《神奇的數字7加減2：人類信息加工容量的某些局限》的論文，認為人類工作記憶的容量大約為7[10]。這篇論文的影響力如此之大，以至於六十多年過去了，普通民眾還堅信我們的大腦能夠同時維持7條左右信息。事實上，之後大量的研究表明，人類工作記憶的容量其實大致只有4[11]，而獼猴的介於3和4之間 [12]。

的確，通常我們大致能記住5~9個隨機的數字。但是這並不表示我們的工作記憶容量就有7。實際上，腦內同時處理信息的容量是按「組塊」（chunk）來衡量的。每個「組塊」可以包含多個數字、字母，也可以是詞語或其他形式，不同類型「組塊」的分類方式和大小一般不同。這些「組塊」間劃分的主要依據是：單個「組塊」的內部要有較強的聯繫，而「組塊」之間的聯繫要較弱 [11]。

其實，現在的手機號就不止7個數字，為什麼我們都能記住呢？原因正是我們使用了「組塊」式記憶。比如，對於手機號16730351028，我們通常會按類似「167-3035-1028」的分組方式進行記憶。這裡總共有3個「組塊」，「167」因為是運營商的代碼而容易記住，「3035」 因為有重複的數字而容易記憶。也就是說，「167」 和 「3035」 分別都有較強的「組塊」內聯繫，而兩個者間的聯繫較弱；所以我們傾向於將「1673035」分成「167」和「3035」這樣的兩個「組塊」，而不是「16730」和「35」。如果我們遇到一串隨機的數字87320160531，可能就難記得多了。

當然，大多數人也不會以類似「16-730-351-0-28」這種超過4個「組塊」的方式來記憶手機號，一般認為是超過了容量的限制，不利於工作記憶的維持。

兩種理論模型

關於如何更好地描述工作記憶容量，學術界一直存在爭論。一種觀點認為，工作記憶資源以離散的方式分配，數量的上限大約為4個； 另一種觀點認為，可以以連續的方式分配，數量上並沒有限制（圖3）[13]。

美國認知神經科學家Steve Luck等人通過分析觀察者檢測視覺刺激是否發生變化的能力來研究工作記憶容量的特性。他們發現，隨著需要記憶的項目的數量的增加，人們檢測前後兩組視覺刺激是否相同的能力越來越低。綜合考量，觀察者可以在工作記憶中同時維持大約4項信息（圖2）。這種基於項目的容量限制符合工作記憶的離散資源模型（discrete resource models）。該模型認為記憶資源是離散分配的，即工作記憶中維持的每個項目必須被分配到單獨的「槽」中，且每個項目都佔用等量的資源[14]。當需要存儲的項目數超過限制時，僅有其中的一部分會被存儲，其他的項目將不會被保留任何信息。

圖 2. A）典型的變化-檢測任務。觀察者被要求判斷測試階段的視覺刺激是否和記憶階段的視覺刺激一致[13]。B）Luck的實驗中，平均正確率與項目數的關係呈負相關[15]。

相反，連續資源模型（flexible resource models）則認為，在工作記憶中，可以主動維持的項目數沒有上限。[16]簡單來說，工作記憶資源的總量是固定的，每個項目都佔用一部分份額，項目數越多，每個項目所能佔用的資源就越少[16]。當不斷接收到更多的信息時，記憶資源會被持續地分割，直到表徵某個項目的資源被擴展得很微弱時，該項目將不能再被準確地調用（圖3）。

圖3. 工作記憶容量的兩種理論模型[16]。分配給各個項目的工作記憶資源通過黃圈表示，圓圈越大表示分配的資源越多，該項目之後能被調用的概率越大。根據離散資源模型（左列），工作記憶中所有存儲的項目都佔用等量的資源，且能存儲的項目數有限。當項目數超過上限時，多餘的項目將不能被存儲。連續資源模型（右列）則認為，工作記憶能存儲的項目數沒有固定的限制，並且有限的記憶資源必須在所有的項目之間分配。隨著項目數的增加，每個項目所分配的資源會變得越來越少。

哪些因素影響工作記憶容量？

長時記憶

長期記憶是能夠保持幾天到幾年的記憶。它與工作記憶以及短期記憶不同，後二者只保持幾秒到幾小時。在構建工作記憶的過程中，我們腦內存儲的長時記憶起到了非常關鍵的作用。比如在前面的例子中，記得「167」是常用的手機號前三位很利於工作記憶的維持。同樣，如果「1028」正好是你的生日的話，這個號碼就更容易記住了。

我們有時會在報道中看到一些記憶力超群的人，他們可以在很短的時間內記住大量的信息，似乎擁有過人的工作記憶容量。事實上，他們中的絕大部分只是經過長期的訓練，具備了更強的從長時記憶中提取信息的能力[17]。比如，某些人會將需要記憶的信息通過長時記憶中的場景編成一個有邏輯的故事，當需要複述時，從長時記憶中對這個故事進行調用，並轉換成原始信息。這樣的記憶技巧並不能真正的提高工作記憶的容量，當面對截然不同的內容時，他們會表現出與普通人差不多的記憶水平。總之，豐富的人生經驗和大量的知識儲備有利於提高工作記憶的容量，這應該是成年人的工作記憶容量要大於兒童和青少年的重要原因之一。

注意力

注意力被認為是影響工作記憶容量的重要因素。將注意力從關注的項目轉移開，會干擾工作記憶的維持[18]。因此，工作記憶可能不只是受其本身固有的存儲能力限制，也需要我們將注意力維持在特定的項目上。有趣的是，有研究表明在大量的視覺刺激中，我們最多只能同時追蹤4-5個移動的目標，這個數目與工作記憶的容量上限非常接近 [19]。

注意力和工作記憶之間這種緊密的關係，讓很多人認為注意力正是導致工作記憶只具備有限容量的關鍵因素。反之，也有不少人認為，正是因為我們只能同時存儲有限數目的信息，才導致我們人類進化成每次只能同時注意極少項的事物。可見，注意力和工作記憶是難以分割的。總之，把注意力集中在某個事物上，會使得它更容易被記住。並且，集中注意力同樣意味著忽略外界的干擾信息。Gaspar的研究表明，工作記憶容量小的人不能很好地排除那些影響力大的、讓人分心的信息[20]。因此，我們認為維持專註的注意力是形成較高工作記憶容量的重要保障。

生長發育

對兒童及青少年的研究表明，工作記憶容量隨著生長發育而逐步增加[21]。腦內神經元之間不斷增強的聯繫被認為與此相關[22]。發育過程中的功能相關研究也表明，較高的工作記憶容量通常伴隨著額葉和頂葉皮層內較強的血氧水平依賴的神經元活動[23]。相關計算模型也預測前額葉皮層與其傳入皮層之間連接的強度能決定工作記憶的容量，這也可能是人類成長過程中工作記憶容量提升的一個重要因素[24]。 來自青少年和成年獼猴的數據還顯示，前額葉皮層神經元之間的總體突觸連接強度的增強也與工作記憶的提升相關[25]。

後天訓練能否提升工作記憶容量？

一直以來，人們認為工作記憶容量是不可改變的個體特徵。但是最近十幾年的研究表明，通過系統的訓練（圖4），人類，特別是兒童和青少年的工作記憶容量可以得到提升[26, 27]。現今，許多研究開始關注行為訓練對工作記憶容量提升的機制。

圖4. n-back 任務是一種旨在訓練和評估個人工作記憶能力的行為任務。參與者必須跟蹤一個刺激序列（比如，圖中第一行表示的是屏幕中依次出現的視覺刺激），並且報告當前刺激與序列中的前面第n個刺激是否相同。這裡顯示的是雙重2-back任務，即要求參與者同時判斷當前的聽覺與視覺刺激與相應的前面第2個刺激是否相同[27]。

研究表明，經過相關訓練後，大腦不同區域，特別是額頂網路（fronto-parietal network）之間的聯繫會增強，並且這與個體表現的工作記憶容量的提升成正相關[28]。在獼猴上進行的神經電生理結果進一步揭示，經過訓練後，更多的前額葉皮層神經元會以更高的發放頻率參與編碼視覺刺激[29]。並且，行為訓練還能夠顯著降低前額葉皮層神經元的編碼的變異性和噪音的干擾[30]。簡而言之，經過相關的行為訓練，會有更多的神經元以更強的力度、更精確的方式參與編碼相關任務，並且這與工作記憶容量的提升有一定的正相關性[31]。

下期預告：《工作記憶和短時記憶的區別》

參考文獻：

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