工作记忆在视觉搜索中的作用

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视觉工作记忆在视觉搜索中的作用
作者：潘毅许百华胡信奎作者单位：浙江大学心理与行为科学系，杭州 310028、浙江理工大学心理研究所，杭州 310018
【摘要】视觉工作记忆在视觉搜索中的作用远比偏向竞争模型所描述的要复杂，个体能根据当前任务要求灵活地利用工作记忆来引导注意选择。

在系统回顾已有研究的基础上，从客体工作记忆、空间工作记忆和执行工作记忆3个方面探讨了视觉工作记忆在视觉搜索中的作用。

根据近期的研究，文章在最后对视觉工作记忆在视觉搜索中的作用做了7点总结，并对已往研究中存在的若干问题给予了解释，指出未来应该从前瞻记忆和内隐记忆等角度对视觉搜索中所涉及的视觉记忆进行深入研究。

【关键词】视觉工作记忆视觉搜索客体工作记忆空间工作记忆执行工作记忆
1 引言
视觉搜索是认知心理学家长期以来用于研究在复杂视场中注意分配的经典范式，典型的视觉搜索任务要求被试记住搜索目标，并对视场中是否存在目标做出相应的反应。

工作记忆（working memory）是一种临时存储和加工当前任务相关信息的资源有限的认知系统。

按照Baddeley（1986）提出的工作记忆多成分模型[1]，工作记忆包括中央执行（centralexecutive)系统、语音（verbal）工作记忆和视
觉空间（visuospatial）工作记忆。

后来的研究发现，根据工作记忆中存储的信息表征类型不同，视觉空间工作记忆又可进一步划分为空间工作记忆（保存空间位臵）和客体工作记忆（保存物体特征）这两个相对独立的子系统[2~4]。

选择性注意是对外界大量信息进行筛选以确保有限的认知资源能用于有效完成当前主要任务的认知系统，它包括对相关信息的选择和对无关信息的抑制两个方面。

近年来，关于视觉工作记忆与选择性注意之间的交互作用关系成为一个研究热点，其中，工作记忆在视觉搜索中的作用就是一个很重要的方面[5]。

本文从客体工作记忆、空间工作记忆和中央执行系统三个方面来探讨视觉工作记忆在完成视觉搜索任务过程中的作用。

2 客体工作记忆与视觉搜索
2.1 偏向竞争模型
视觉搜索任务首先要求被试记住要搜索的特定目标，目标表征或模板（template）一般被认为保存在客体工作记忆中，而目标模板的作用就在于引导注意选择视场中与之相同或相似的物体。

另外，研究者们还认为，在视觉搜索过程中每一个被注意选择的知觉表征都会自动转变为工作记忆表征，以便与保持在客体工作记忆中的目标模板进行比较[6,7]。

Desimone等（1995）提出一个基于客体的注意的偏向竞争模型（biased-competition model）[8]。

该模型认为，在视觉搜索场景中，视场中充满许多物体，由于注意资源有限，视场中的物体就会竞争注意资源。

若某一物体表征与当前工作记忆中所保持的目标模板相同，那么该物体表征就会取得竞争优势而被视觉注意优先选择。

对灵长类动物的单细胞神经生理学研究为偏向竞争模型提供了重要证据
[9~11]。

如Chelazzi等人（1993）在一个简单的视觉搜索任务中考察短尾猿的下颞叶细胞的神经活动，他们先向猴子呈现一个搜索目标，过一段延迟时间后又呈现包括两个物体
的搜索刺激，其中一个物体就是先前呈现的目标。

结果发现，在延迟时间内有些下颞叶细胞持续对记忆目标表现出选择
性反应，当搜索刺激呈现后，神经活动最初表现为没有选择性，但很快又只对目标产生选择性反应。

研究者认为，通过在延迟期间的神经活动，视觉工作记忆中保持的目标模板使得目标在搜索刺激中获得注意资源的竞争优势，从而导致注意最终选择目标。

根据偏向竞争模型，Downing（2000）利用人脸图片以及绘制的几何图形作为实验材料研究发现，即使在没有明显的搜索目标的情况下，视觉注意也会优先选择客体工作记忆中当前所保持的物体表征[12]。

此外，Moores等（2003）研究发现，客体工作记忆中积极保持的物体表征不仅会使得视场中与记忆表征完全相匹配的物体得到注意偏向，而且也会使得视场中与记忆表征有着语义关联的物体获得注意资源
的竞争优势[13]。

Pashler等（1999）采用注意瞬脱范式研究发现，当对一个物体形成表象并保存在工作记忆中后，即使没有明确要求被试搜索该对象，视觉注意也会自动地选择与工作记忆中所保持的表象相匹配的物体[14]。

Pratt等（2003）利用颜色作为任务相关刺激研究了工作记忆内容对注意选择的自动导向作用[15]。

实验开始时在屏幕中央呈现一个目标线索（从预先设定的4种颜色中随机选择的一种颜色，用来指示被试应该做反应的目标），一段延迟时间后呈现4个不同颜色的中央箭头。

研究者假设，工作记忆中积极保持的目标线索会引导注意自动选择与之具有相同颜色的
中央箭头，并且随后注意又会自动地转向该中央箭头所指示的外周空间。

实验结果证实了上述假设，被试对呈现在与目标线索具有相同颜色的中央箭头所指示的外围空间上的刺
激有更快的反应。

Soto等（2005）要求被试在竖直的线段中搜索倾斜的线段，每条线段都被带有颜色的外周形状（如长方形、三角形，圆形等）包围着。

一半情况下，外周形状的
颜色与工作记忆中储存的颜色相同，另一半情况下，所有形状的颜色与工作记忆中的颜色无关。

与无关情况相比，当工作记忆中的颜色与包围着搜索目标（倾斜线段）的外周形状的颜色相同时，搜索反应时明显加快。

而当工作记忆中的颜色与包围着分心物（竖直线段）的外周形状的颜色相同时，搜索反应时明显变慢。

然而，当不要求被试记忆颜色时，上述增益或干扰效应没有出现，这就排除了知觉启动的作用。

根据实验结果，研究者认为工作记忆对注意选择起着早期的、自上而下的自动导向作用[16]。

在该研究的基础上，Soto 等（2006）又研究了在突显目标搜索（pop-out search）任务中工作记忆对注意的导向作用，并探讨自上而下和自下而上这两种加工机制的关系[17]。

在上述Soto等人（2005）的实验基础上，研究者改变目标的强度，使目标与分心物非常容易区分，视觉搜索近似快速平行搜索。

结果发现即使呈现突显的自下而上的线索，工作记忆仍然对注意起着自上而下的自动导向作用。

2.2 客体工作记忆对选择性注意的主动引导
偏向竞争模型假设，在视觉搜索过程中注意会自动地选择视场中与客体工作记忆所保持的物体表征相同或相似的物体。

这个假设在上述的一些实验研究中得到了证据支持。

然而，近期的一些研究表明客体工作记忆在视觉搜索中的作用远比偏向竞争模型所描述的要复杂，视觉工作记忆的内容能灵活地引导注意偏向，并且在某些情况下客体工作记忆对有效视觉搜索可能不是必需的。

Oh等（2003）研究发现，搜索目标的明确程度是影响工作记忆与注意的关系的一个主要因素。

实验采用两种不同的搜索任务：一种是搜索目标为关于竖直轴对称的图形（搜索目标不明确），另一种是搜索目标为某种特定形状的图形（搜索目标明确）。

结果发现，在搜索目标为对称图形时，出现了工作记忆内容对选择性注意的导向作用，而当搜索特定形状的图形时，并没有出现工
作记忆内容对选择性注意的导向作用[18]。

Downing等（2004）采用双任务范式研究了视觉工作记忆对视觉搜索过程中注意导向的作用，实验要求被试在完成视觉搜索任务的同时在视觉工作记忆中保持一个项目，在一半的试验（trials）中这个项目作为分心物出现在搜索系列中。

实验结果没有发现视觉工作记忆对视觉搜索起干扰作用，从而说明注意没有自动选择与工作记忆内容相匹配的分心物。

对此，研究者提出两种解释：一种认为与其他记忆表征相比，与当前任务相关的目标表征在作为一个整体的视觉工作记
忆中取得竞争偏向；另一种解释认为，视觉工作记忆分别存储目标表征和其他与当前任务无关的记忆表征[19]。

Houtkamp等（2006）要求被试在搜索一个预先设定的目标的同时在工作记忆中保持另一个项目，当这个项目作为分心物出现在搜索情境中时，它对有目标呈现的搜索时间没有干扰作用，同时眼动记录也发现此种情况下被试对记忆项目不注视或注视时间很短。

然而，当目标没有呈现在搜索情境中时，记忆项目对搜索时间有显著的影响。

研究者认为，搜索目标在工作记忆中有着特殊的地位以优先引导注意，而工作记忆中的其他项目对注意的引导作用非常薄弱，并且只有在搜索目标不呈现在视场的情况下才可能被观察到[20]。

Woodman 等（2007）设计实验使得被试没有理由策略性地转移注意到与视觉工作记忆中当前所保持的客体表征类似的搜索项目上，研究者假设，如果与视觉工作记忆内容相匹配的分心物干扰了视觉搜索，那么就说明视觉工作记忆内容能够强有力地自动引导注意选择与之相似的项目。

然而，实验结果发现，当分心物与视觉工作记忆中的物体表征相匹配时被试搜索
目标的时间并没有变慢，说明视觉工作记忆并不是自动引导注意选择与记忆表征相类似的物体，相反，当被试知道工作记忆内容不可能是搜索目标时，视觉工作记忆能够灵活地引导注意选择其他物体[21]。

2.3 视觉搜索不需要客体工作记忆？
如前所述，很多视觉搜索模型认为，在视觉搜索过程中被注意选择的项目会自动地进入客体工作记忆以便与其中的目标模板进行比较。

因此，客体工作记忆的负载可能会随着搜索项目的增多而加大。

然而，Woodman等（2001）采用双任务干扰范式得到了与上述视觉搜索模型不一致的研究结果[22]。

研究者假设，在视觉搜索过程中，如果注意选择的所有知觉表征都被编码进入视觉工作记忆中的话，那么当视觉工作记忆中存储满了其他无关信息时视觉搜索的绩效会下降。

实验要求被试在完成视觉搜索任务的同时记住4个以上的颜色或形状，并且将被试在双任务条件下的视觉搜索绩效与单独完成同样的视觉搜索任务的绩效进行比较。

通过计算反应时与搜索集大小的函数，实验结果发现，被试在双任务和单任务条件下的视觉搜索效率没有显著差别，从而否定了上述假设。

另外，Woodman等人也检验了另一个相关的假设：因为视觉工作记忆是个资源有限的系统，如果工作记忆对视觉搜索是必需的话，在完成视觉搜索任务过程中随着工作记忆需要存储越来越多的搜索项目，那么工作记忆任务的绩效应该会下降。

实验结果发现，当搜索集大小发生变化时，视觉工作记忆中保持的信息量不变。

也就是说，无论搜索集大小多少，被试完成搜索任务所占用的视觉工作记忆资源相同。

因此，Woodman等人的研究结果没有支持上述传统的观点，即在完成视觉搜索任务过程中被注意选择的物体表征需要保持在客体工作记忆中，并且，客体工作记忆的负载会随着搜索项目的增多而加大。

然而，在以上关于客体工作记忆与视觉搜索的交互作用研究中搜索目标在整个实验过程中基本上都是相同的。

近来的一些其他研究表明，当搜索目标在不同的试验中变化的时候，客体工作记忆对有效视觉搜索来说可能是至关重要的。

Rossi等（2001）在一项脑损毁实验中让猴子完成一项视觉
搜索任务，搜索目标或者变化很快（每几个试验变换一个目标），或者变化很慢（搜索目标在一天中的所有试验中相同）[23]。

每个猴子的胼胝体都被切割，以使得整个前额叶基本上只能接受其中一个大脑半球的信息输入，并将另一大脑半球损毁。

已有的研究表明，前额叶对工作记忆有重要作用。

因此，当搜索刺激呈现在损毁半球一侧时工作记忆对刺激加工没有作用。

实验结果发现，当搜索目标变化很慢时，无论搜索刺激是呈现在损毁或完好的大脑半球，搜索效率都是一样的；而当搜索目标变化很快时，损毁的大脑半球完成搜索任务的效率要显著低于完好的大脑半球。

这就表明视觉工作记忆当前所保持的信息对视觉搜索过程的干扰效应只出现
在搜索目标变化很快的情况下，而当搜索目标在整个实验中都相同的情况下视觉工作记忆对搜索绩效没有影响。

研究者认为，当搜索目标在实验中保持不变时，被试对目标的记忆表征可能存储在长时记忆当中，而不是保存在视觉工作记忆中，因此，此种情况下视觉搜索效率在有无工作记忆的参与下都是一样的。

3 空间工作记忆与视觉搜索
在视觉搜索过程中，注意需要从一个空间位臵转移到另一个空间位臵[24,25]，并且先前已经被注意选择的空间位臵可能被存储在工作记忆中以抑制注意再选择它们，从而优化视觉搜索的效率[26]。

这些现象都提示空间工作记忆可能与视觉搜索有着共同的信息加工机制。

Woodman等（2004）采用双任务干扰范式研究空间工作记忆在视觉搜索中的作用，实验要求被试在工作记忆的保持阶段完成一项视觉搜索任务。

研究者假设，如果视觉搜索与空间工作记忆使用相同的加工资源，那么与单任务（单独完成视觉搜索任务或空间工作记忆任务）情况相比，在双任务条件下视觉搜索效率和空间工作记忆准确率都将受到损害。

实验结果证实了研究者的假设，在双任务条件下，视觉搜索与空间工作记忆相互干
扰，而且这种干扰效应随着搜索集的增大而增大[27]。

Oh等（2004）[28]采用了与Woodman等人（2004）类似的双任务干扰范式，并且比较了空间工作记忆与非空间工作记忆在视觉搜索中的作用。

实验结果发现，空间工作记忆负载干扰了视觉搜索过程，而非空间工作记忆负载对视觉搜索没有干扰。

上述两个研究结果都提示视觉搜索和空间工作记忆需要利用共同的资源有限的加工过程，而且这个共同的资源有限的加工过程很可能就是空间注意。

因为工作记忆中的空间表征的保持需要空间注意的复述[29]，视觉搜索过程也涉及空间注意的系列转移[30]，因此，双任务干扰效应可能是由于空间工作记忆与视觉搜索共同竞争有限的空间注意资源所致。

对双任务干扰效应的另外一种解释是空间工作记忆任
务和视觉搜索任务都涉及对空间位臵表征的记忆。

Peterson 等（2001）采用眼动记录技术研究发现，被试在完成搜索任务的过程中眼睛很少回视之前已经注视过的物体[31]。

研究者认为这是因为被试在搜索过程中将已经注视过的物体的
空间位臵保持在工作记忆中以抑制注意重复选择它们，从而达到优化视觉搜索效率的目的，即视觉搜索中的基于记忆的标签机制（memory-based tagging mechanisms）。

这样一来，被试在完成双任务作业时，即使注意对工作记忆保持空间表征没有复述作用，由于两种任务都涉及对空间表征的记忆，对有限的空间工作记忆资源的竞争就会导致双任务干扰效应。

Peterson等人（2001）的研究发现很像基于空间的返回抑制（inhibition of return）现象，即被试对出现在先前已经注意过的空间上的目标的反应要慢于对呈现在新位臵
上的目标的反应。

研究者们认为返回抑制现象反映了人类在完成复杂视觉搜索任务过程中，为了优化搜索效率而减少对以前已经探查过的空间位臵的注意的适应性行为[32]。

Castel等（2003）采用双任务范式研究了空间工作记忆在返
回抑制中的作用，实验是在注意探测任务中间插入一个涉及工作记忆的次任务。

当次任务涉及非空间工作记忆时，实验结果中观察到了返回抑制现象；而当次任务涉及空间工作记忆时，实验结果中没有观察到返回抑制现象，说明空间工作记忆对视觉搜索中返回抑制现象的产生起着重要作用[33]。

然而，Horowitz等（1998）对视觉搜索过程中的基于记忆的标签机制提出质疑，他们提出一个无记忆搜索模型（amnesic-search model），认为被试在视觉搜索过程中是健忘的，被试并没有记住已搜索过的空间位臵和项目[34]。

实验采用了静态搜索和随机化搜索这两种搜索条件，在静态搜索条件下每个试验中各搜索项目所在的空间位臵保持不变，而在随机化搜索条件下每个试验中各搜索项目所在的空间位臵每隔111ms就变化一次。

研究者假设，如果视觉搜索过程依赖于基于记忆的标签机制的话，那么，与静态搜索条件相比，在随机化搜索条件下被试的搜索效率将会明显下降。

然而，实验结果发现两种条件下的搜索效率几乎没有差异，提示被试在搜索过程中并没有对已探查过的空间位臵和项目加以记忆标签。

尽管在Horowitz等人（1998）的研究中被试在缺乏基于记忆的标签机制的情况下也能有效地完成视觉搜索任务，但是Gibson等（2000）认为无记忆搜索模型所适用的范围是有限的[35]，也就是说，基于记忆的标签机制在另外一些视觉搜索任务中还是起作用的。

实验采用双目标视觉搜索任务，一半的试验中只呈现一个目标，另一半试验中呈现两个相同的目标，要求被试判断搜索场景中所呈现目标的个数。

研究者认为，在完成双目标视觉搜索任务的过程中，被试为了正确判断目标的个数，必须将首先看到的目标加以记忆标签（尽管已搜索过的分心物可能没有被记住），否则，在只呈现一个目标的情况下被试可能会做出有两个目标的错误判断。

实验比较了静态搜索条件和随机化搜索条件下的搜索效率，结果发现随机化搜索条件的搜索错误
率显著高于静态搜索条件，说明在双目标视觉搜索过程中被试对目标加以记忆标签，尽管已探查过的分心物可能没有被记住。

Gibson等（2000）认为视觉搜索是否依赖于基于记忆的标签机制取决于记忆标签的利益-代价权衡。

该利益-代价模型（benefit- cost model）认为，只有当记忆标签的收益大于其代价时，基于记忆的标签机制才可能会起到优化视觉搜索效率的作用，否则，基于记忆的标签机制将不参与到视觉搜索过程中。

4 执行工作记忆与视觉搜索
工作记忆不仅包括对信息的短时存储，也包括对存储信息的执行操作，即中央执行系统或执行工作记忆（executive working memory），如多任务协调、注意转移和记忆更新等。

研究者们认为，执行工作记忆在包括视觉搜索在内的一些高级认知过程中起着重要作用。

Han等（2004）假设对工作记忆信息的操作会涉及工作记忆的执行功能[36]，他们采用类似Woodman等（2001）的双任务范式研究了执行工作记忆对视觉搜索的影响。

实验中采用的工作记忆任务分为两类：工作记忆存储任务（只要求被试记住数字或字母）和工作记忆操作任务（要求被试进行减法运算或字母排序）。

结果发现，在工作记忆操作任务条件下完成视觉搜索任务所需要的时
间要显著慢于单独完成视觉搜索任务所需要的时间，并且这种差异随着搜索集的增大而增大，而在工作记忆存储任务条件下完成视觉搜索任务所需要的时间与单独完成视觉搜索
任务所需要的时间基本相同。

实验结果提示，视觉搜索需要工作记忆的执行功能的参与，选择性注意与工作记忆中的信息操作可能竞争同一心理资源。

Tuholski等（2001）认为，工作记忆的执行功能不同于工作记忆的存储功能，执行工作记忆更多地和需要注意参与的控制过程相联系[37]。

因此，当被试同时执行工作记忆操作任务和视觉搜索任务时，由于两种任务同时竞争有限的注意资源，所以产生了执行工作记
忆对视觉搜索的干扰效应。

当然，与当前搜索任务无关的执行工作记忆对视觉搜索的干扰效应也可能是由于视觉搜索
需要执行工作记忆的直接参与所致。

按照Duncan等人（1989）的视觉搜索模型，每一个被注意选择的项目都会自动进入工作记忆中，以便与保持在工作记忆中的目标模板进行匹配。

这样一来，工作记忆中的信息就需要不断更新，而记忆更新就会涉及工作记忆执行功能的参与。

因此，执行工作记忆对视觉搜索的干扰效应很可能是因为被试在完成视觉搜索任
务过程中需要工作记忆执行功能的直接参与所致，而不是因为两种任务同时竞争有限的注意资源所致。

Peterson等（2006）采用双任务范式通过眼动追踪技术考察了工作记忆的执行功能在视觉搜索中的作用[38]。

结果发现，双任务条件下的视觉搜索的反应时和错误率要显著高于单独完成视
觉搜索任务条件下的反应时和错误率，说明占用执行工作记忆的次任务干扰了视觉搜索。

通过对被试眼动数据的分析发现，双任务条件下视觉搜索时间的增长不是由于注视时间的增长，而是由于注视次数的增多所致。

研究者认为，在双任务条件下，由于执行工作记忆被次任务占用，被试在视觉搜索过程中不能很好地抑制注意转移，在对某个项目的认知加工没有完成前注意就已经开始转移了，因此，被试只有增加注视次数才能最终完成对搜索项目的认知加工。

因此，实验结果提示视觉搜索过程中需要执行工作记忆的直接参与，以集中注意资源去完成搜索项目的认知加工。

5 结语
视觉搜索是认知心理学家用来研究知觉过程中注意分
配的经典范式，以前的研究很少关注记忆在视觉搜索过程中的作用。

然而，近来的一些研究表明，视觉工作记忆也许在视觉搜索过程中起着重要的作用。

本文在回顾已往研究的基础上对视觉工作记忆在视觉搜索中的作用做以下几点总结：（1）视觉搜索过程中被注意选择的项目会自动进入工作记。