动物行为学实验手册 | 学习记忆系列之工作记忆
我相信我们中的大多数人都熟悉阅读电话号码，只是在拨打电话时忘记了一些号码，或者在煮鸡蛋和与朋友交谈的同时烤吐司。所有这些都是工作记忆的失误，这对于组织一天的活动以及计划和执行一系列事件至关重要。
什么是工作记忆？
工作记忆是大脑系统，它在我们做决定或进行计算时在有限的时间间隔内保存信息。简单地说，就是牢记在执行任务时需要牢记的一切。它对于各种各样的任务都至关重要，从算术和暂时记住电话号码到在新环境中导航和解决空间障碍。
该术语于 1960 年由 George Miller 及其同事首次使用。大约在同一时间，Miller 创造了神奇数字 7，正负二，它指的是现在精炼的普通人在短期记忆中可以容纳的物体数量. 随后，艾伦·巴德利 (Alan Baddeley) 详细阐述了该术语，他将工作记忆描述为一种短期记忆形式，它在短时间内整合了瞬间感知。然后将这些感知与过去经历的记忆相关联，以执行计划和复杂的行为。
Baddeley 开发了一种工作记忆模型，称为多成分模型，几十年来，该模型已被证明在应用心理学和神经科学中有用且具有弹性。他设想工作记忆不是一个单一的存储缓存，而是两个短期记忆缓冲区，一个用于语言，他称之为语音循环，另一个用于视觉记忆，称为视觉空间画板。语音循环是一种类似语音的记忆痕迹的缓存，除非口头或默读，否则会在几秒钟内记录和衰减。一般来说，回忆随着列表长度和单词长度的增加而下降，这反映了米勒定律。视觉空间画板是一种以空间或视觉形式存储或处理信息的子组件，用于空间导航等任务。
管理这两者的是中央执行器，它是一个注意力控制系统，它操纵和协调存储在缓冲区中的信息，以解决问题和计划。后来又添加了第四个子系统，即情节缓冲区，它被视为由其他两个子系统形成的情节块的临时存储区域，用于与过去的经验交互和/或将信息整合到长期记忆中。
虽然即使我们没有主动检索它们，长期记忆也会留在我们身边，而工作记忆是一种执行功能，它更像是一个主动过程，一个短期的心理工作空间，我们在其中维护和操纵我们在给定的信息时间。然而，工作记忆和长期记忆都是密切相关的，正如许多成像研究所见，在这些研究中，海马等长期记忆中心与工作记忆区同时激活。此外，研究人员发现形成有意义句子的单词的回忆增加，这反映了长期记忆特征（如语法、句法和意义）在工作记忆任务中的重要性。
哪些大脑区域与工作记忆有关？
在巴德利定义了他的工作记忆模型之后，加州大学洛杉矶分校的华金福斯特和戈德曼-拉基克将前额叶皮层 (PFC) 与巴德利对工作记忆的研究联系起来。他们发现去除 PFC 不会导致短期记忆的普遍缺陷，而是导致 Baddeley 描述为工作记忆的功能缺陷。前额叶皮层是额叶的一部分，负责调节复杂的心理过程，如组织、计划、学习、认知灵活性和记忆。
执行功能通常被认为只发生在灵长类动物身上，因为这些复杂的心理过程与源自更复杂的灵长类动物皮层的“高阶”认知功能相关。然而，啮齿动物内侧前额叶皮层与灵长类 PFC 具有很强的解剖学同源性，尤其是背外侧前额叶皮层。研究表明，内侧前额叶皮层对于空间和视觉对象信息的工作记忆至关重要，前额叶激活的数量取决于工作记忆中保存的信息量。
跨物种的 PFC 已被证明在某些测试条件下利用分工系统，并行处理工作记忆特征，例如位置、对象或单词。也就是说，工作记忆可以在 PFC 的水平上进行划分，这取决于皮层与连接的感觉区域合作时处理的感觉方式，这些区域在短时间内保存和使用信息。例如，Goldman-Rakic 及其同事发现 PFC 的一部分涉及对象身份的工作记忆，另一部分涉及空间位置。
严重影响这种处理方案的一个因素是在选择期评估工作记忆之前的延迟期。如果延迟时间足够长，则 PFC 据称可以作为集成电路与海马体协同工作，协调回顾性和前瞻性记忆过程以实现预期目标。这一发现得到了大鼠和小鼠损伤研究的支持，在这些研究中，使海马体形成失活的研究人员能够损害径向迷宫中的工作记忆表现。据称，该区域对于获取和维护与被诱饵手臂的位置和/或在迷宫中导航时对情节记忆的引用有关的空间信息非常重要。
人类和啮齿动物工作记忆的发展
在人类中，工作记忆任务的表现从幼儿期到青春期都会增加。理论家推测工作记忆能力的增长是认知发展的重要驱动力，因为工作记忆能力强烈预测儿童时期的认知能力，而某一年龄的能力可以准确预测以后的推理能力。与成人相比，执行工作记忆任务的儿童缺乏一致的前额叶激活，而包括岛叶皮层和小脑在内的后部区域保持完整。
与人类一样，啮齿动物在青春期表现出工作记忆能力的增加，反映了前额叶皮层区域的功能和结构变化。青春期大鼠在出生后第 50 天表现出工作记忆能力下降，此时与成人相比，表现并没有显着降低。在进化上，工作记忆在人类和啮齿动物中具有共同的基本用途，用于识别空间位置、避免空间障碍和组织一般的以目标为导向的生存行为。
大鼠的工作记忆与人类有许多共同的功能特征。已经表明，他们的工作记忆在很大程度上依赖于像人类一样的注意力机制，他们可以识别不同角度、大小和位置的物体视图。他们还可以准确权衡感官证据以进行有效决策、评估奖励统计数据并整合多模态感官输入。人类在利用内心语言（例如口头排练）以及使用频率和独立于任务的工作记忆能力的高度灵活性方面可能是独一无二的。
用于评估工作记忆的行为分析
人类 PFC 的关键神经解剖学和功能特征很大程度上保留在啮齿动物中，这使得跨物种比较和转化研究结果变得有意义和有效。[1]如此。啮齿动物模型是促进我们对与年龄相关的执行功能下降以及疾病和其他认知障碍对工作记忆的影响的理解的有前途的工具。除了各种啮齿动物模型，我们还将看看一些流行的非人类灵长类动物和人类的工作记忆分析。
在行为上，当任务涉及以下内容时，工作记忆会被激活：
控制不同试验的标准响应的不同刺激
受试者必须记住的线索，每个试验都不同
在下面描述的任务中，情景记忆是由指导啮齿动物目标导向行为的视觉和空间线索引起的。与任务相关的信息由前额叶区域编码，并对应于跨可变延迟周期的工作记忆。几乎在所有情况下，该区域的病变都会影响保留这种记忆的能力。
这与参考记忆形成对比，参考记忆主要由海马体控制，并且随着时间的推移大部分保持不变。然而，如前所述，与工作记忆 (PFC) 相关的区域和海马体之间的协同活动通常取决于任务设计。
对于人类，工作记忆包括回忆和操作被记住的信息（例如，将两个数字添加到一串数字或反转数字序列）。在啮齿类动物中，这种方案通常是不可行的，因此增加延迟持续时间通常用作增加工作记忆负荷和注意跨不同试验间隔的空间工作记忆性能的方法。
延迟交替任务
在延迟交替任务中，T 型迷宫或Y 型迷宫用于二元选择范式。该测定利用啮齿动物对新奇事物的自然偏好（称为自发交替）。老鼠首先被放置在迷宫的茎上，并因进入任一臂而获得奖励。然后，经过一段时间的延迟，只有当老鼠进入上次试验中没有选择的手臂时，才会得到奖励。通常，正确的选择在试验中左右臂之间交替进行。通过改变试验间隔（通常在 10 到 60 秒之间）并注意正确选择的数量来评估工作记忆。损伤内侧 PFC 会损害自发和学习交替的表现，支持其在工作记忆中的作用。
八臂迷宫
在旋臂迷宫已经使用了超过四十年，并涉及到类似的信息审判和保留试验格式。在信息试验中，研究人员将奖励放在 4 个径向臂上，其他 4 个臂被阻止。老鼠从中央平台开始，并迅速访问每个张开的手臂以获得奖励。在延迟期之后，保留试验中的老鼠在所有手臂张开的情况下穿过迷宫，但只有试验 1 中被阻止的手臂被诱饵。大鼠必须回忆试验唯一信息以最大化奖励，即在试验 1 期间避开奖励武器，并在收集奖励时避免重新访问试验 2 期间被诱饵的武器。
Morris水迷宫
标准的Morris水迷宫除了陆基任务外，还可用于评估工作记忆，具有无食物限制和快速学习等优势。在水迷宫的延迟匹配到位版本中，同样有信息试验和保留试验。在前者中，啮齿动物必须找到一个隐藏的水下平台。在可变延迟之后，然后进行保留试验，平台在同一位置。老鼠需要记住试验独特的信息，即平台位置，跨越延迟期，范围从三十分钟到六小时。这个位置每天都会改变，并且使用差异度量来评估该位置的记忆。由于平台位置必须与内存中的先前位置区分开来，因此该任务强烈涉及 PFC 活动。
巴恩斯迷宫
工作记忆也可以用巴恩斯迷宫来描述，它与径向臂迷宫有相似之处。在这项任务中，有一个光线充足的圆形中央平台，边缘有洞，只有一个洞通向逃生隧道。在这种情况下没有食物奖励，因为动机来自逃离明亮区域的愿望。准确的表现需要啮齿动物学习并记住正确的孔位置，这表明大脑和海马的空间区域都参与了这项评估。工作记忆错误是通过重新访问试验中已经研究过的错误孔来量化的。
空间延迟响应任务
非人类灵长类动物的经典工作记忆评估是空间延迟反应任务。有关空间位置（两个食物井之一中的奖励位置）的信息必须在某个延迟间隔内保持并在选择期间准确地回忆。在啮齿动物中使用杠杆开发了一个类似的操作程序，其中大鼠在开始阶段按下杠杆，在食物槽上操作灯，然后在可变长度的延迟后，大鼠必须按下相同的杠杆以获得奖励。背外侧 PFC 病变破坏了这些空间延迟反应任务的表现。该区域的电生理记录显示在这些任务的延迟期间持续的空间调整，证实了它的关键作用。
衰老对工作记忆的影响
在人类中，工作记忆被认为在童年时期逐渐增加，在老年时逐渐下降。[6]根据一些理论，与年龄相关的较慢的处理速度使工作记忆内容有更多时间衰减，从而减少总工作记忆容量。另一种有经验支持的假设指出，由于无法抑制不相关或分散注意力的信息，老年导致的工作记忆缺陷。这导致工作记忆被不相关的内容杂乱无章，从而降低了有效的工作记忆容量。DePauw 大学的 Robert West 提出的一种神经生物学解释是前额叶皮层显示出与年龄相关的萎缩程度最高。随着年龄的增长，额叶的突触密度同样以优先的方式下降。
在上述操作性任务中，老年啮齿动物也注意到了这一发现。许多研究人员已经注意到，与年轻受试者相比，老年大鼠和小鼠在延迟交替任务中存在延迟依赖性损伤。虽然老年大鼠在短时间延迟时的表现与年轻组相似，但由于长时间延迟时错误数量的增加，缺陷很明显。
影响工作记忆的条件和障碍
多动症
多动症的特点是过度活跃和注意力不集中。几项研究发现视觉空间和语言工作记忆以及其他执行功能任务（如反应抑制）存在缺陷。[9] ADHD 的神经生物学基础被认为涉及额纹状体功能障碍，特别是多巴胺能和去甲肾上腺素能系统的破坏，使哌甲酯（阻断多巴胺主动转运蛋白）等兴奋剂和胍法辛等 α-2 激动剂成为有前景的药物治疗方法。在工作记忆中，多巴胺主要与奖励预期有关，而去甲肾上腺素则参与积极维护有关目标和实现目标的规则的信息。在 2005 年的一项研究中，研究人员发现，当大鼠在 T 迷宫中的延迟交替任务中正确执行时，前额叶去甲肾上腺素和多巴胺水平会逐渐增加。相反，对 PFC 的多巴胺能和去甲肾上腺素能投射有损伤的大鼠在类似的任务设计中表现出记忆和认知障碍。
精神分裂症
在精神分裂症中，认知症状包括注意力不集中和短期记忆缺陷，使组织一天的活动以及计划和执行一系列事件变得更加困难。这些症状是慢性的，即使在非精神病发作期间也持续存在，并且是该疾病最难以有效管理的方面。影像学研究发现，即使不从事特定的心理活动，精神分裂症患者的前额叶皮层的代谢活动也是活动减退的。
精神分裂症也被认为与额纹状体功能的多巴胺能调节紊乱有关，导致神经化学和行为异常。新生儿腹侧海马受损 (NVH) 大鼠提供了一种有效的精神分裂症啮齿动物模型，其特征是中皮层多巴胺能信号传导和腹侧海马和 PFC 的功能回路受损。该模型产生的青春期后行为异常与精神分裂症中发现的缺陷一致，即由桡臂迷宫和莫里斯水平台评估的前脉冲抑制和工作记忆受损。
帕金森病
帕金森病 (PD) 患者表现出工作记忆语言功能下降的迹象。在 28 名参与者中，他们发现缺乏专注于相关任务的能力和较低的记忆容量都会导致工作记忆受损。[8]众所周知，PD 会广泛影响额纹状体回路，这是由于基底神经节中多巴胺能神经元的逐渐减少，基底神经节与前额叶皮层有许多互连。
6-羟基多巴胺 (6-OHDA) 大鼠模型是研究最广泛的 PD 动物模型之一。在该模型中，大鼠在黑质、内侧前脑束或尾壳核中注射 6-OHDA，以产生单侧 6-OHDA 损伤。这会产生与 PD 症状一致的运动缺陷和认知功能障碍，包括空间工作记忆缺陷。使用莫里斯水迷宫评估空间工作记忆。工作记忆的 6-OHDA 大鼠逃逸潜伏期分析揭示了病变与日常表现之间的显着相互作用以及时间的显着影响。
创伤性脑损伤
由车祸、脑震荡和运动等事件引起的外伤性脑损伤 (TBI) 会导致工作记忆受损，根据标准神经心理学测试以及执行功能的其他降低进行测量。硬膜下血肿和弥漫性轴索损伤都与损伤易感区域有关，例如颞叶和额叶，尤其是背外侧 PFC。
一种广泛使用的 TBI 啮齿动物模型是侧向流体冲击损伤 (LFPI) 模型，该模型会改变工作记忆和 PFC 中的兴奋性/抑制性突触平衡，这是 TBI 的特征。与在 T 迷宫任务中延迟不匹配样本任务评估的对照相比，LFPI 会损害工作记忆。这些记忆障碍是持久的，并且与海马体和 PFC 网络兴奋性的区域变化有关。
压力和抑郁
急性和慢性压力以及抑郁症与降低工作记忆能力有很大关系。自主神经系统触发肾上腺皮质醇，这可以在简单的工作记忆任务中急剧减少或消除工作记忆容量。更多的慢性压力与 PFC 的结构变化有关，包括树突萎缩和棘丢失。抑郁症的主要特征是侵入性的、消极的想法，可以将注意力从手头的任务上转移开。它与工作记忆的中央执行功能的降低以及视觉空间和语言排练工作记忆的损害有关。
在 2016 年对慢性压力啮齿动物模型的元分析评估中，从莫里斯水迷宫和径向臂迷宫中的任务表现受损中可以看出空间工作记忆的缺陷。对 33 项使用 Morris 水迷宫的研究进行了分析，发现在第二个和第三个采集日出现了任务差异，其中压力大的动物在寻找隐藏平台时表现出明显更多的延迟。17 项研究还报告说，压力大的动物在目标象限中花费的时间明显减少。在使用径向臂迷宫的 8 项研究中，其中 6 项报告称，与对照组相比，受压啮齿动物犯了更多错误，而正确选择更少。
以其他方式改善工作记忆
有人声称你可以通过训练来提高工作记忆，但这些改进通常不会转移到其他任务或领域。根据一项荟萃分析，工作记忆训练可推广到其他技能的证据有限，但工作记忆训练可以产生有益的短期特定训练效果。
此外，经颅直流电刺激也取得了一些有希望的结果。通过有节奏地同步前额叶和颞叶区域，老年人的工作记忆得到恢复。这些修复产生的工作记忆结果可与年轻组在一次会议后长达一个小时内相媲美。然而，在得出临床使用对痴呆症和帕金森氏病等疾病的益处之前，还必须进行更多的研究。
结论
工作记忆可以被视为一种对刺激或空间位置的短期记忆，它在测试会话中使用，但不在测试会话之间使用。有各种各样的任务用于评估啮齿动物和灵长类动物的工作记忆，包括迷宫，如 T 型迷宫、Y 型迷宫、八臂迷宫和用于啮齿动物的Morris水迷宫、非人类灵长类动物的延迟反应任务、以及人类复杂的跨度任务。了解工作记忆的行为和神经生物学基础对于完善和设计针对对其产生负面影响的各种障碍和疾病的最佳药物治疗策略至关重要。