一种用于研究分心与中断对工作记忆干扰的认知范式

摘要

开发了一种新的认知范式，用于阐明在工作记忆任务中，被忽略的干扰物与需要注意的中断刺激所引起的干扰在行为和神经层面的相关机制。本文详细描述了该范式的多种变体，并回顾了在年轻和老年成人参与者中使用该范式所获得的数据。

摘要

目标导向行为常常受到外部环境干扰的影响，这种干扰可能表现为无关信息引起的分心（这些信息本应被忽略），也可能表现为需要分配注意力的中断性信息（作为另一项次要任务目标的一部分）。研究表明，这两种形式的外部干扰均会损害工作记忆（WM）中信息的维持能力。新兴证据表明，不同类型的外部干扰对行为的影响存在差异，且可能由不同的神经机制所介导。明确无关分心刺激与需注意的中断刺激在神经行为层面上的不同影响，对于深入理解自上而下的注意力调控、外部干扰的解决机制，以及这些能力在正常衰老过程和神经精神疾病中的衰退方式至关重要。本文介绍了一种由Gazzaley实验室开发的新认知范式，该范式目前已衍生出多个不同版本，用于揭示被试需忽略的分心刺激与需关注的中断刺激在行为和神经层面的相关特征。文中详细描述了该范式在视觉与听觉模态中应用的多种变体，涵盖不同层次的刺激复杂性，并提供了针对脑电图（EEG）或功能磁共振成像（fMRI）研究优化的实验时间参数。此外，本文还回顾并讨论了使用该范式获得的年轻与老年成年参与者的数据，结合有关外部干扰及工作记忆干扰解决过程中与年龄相关的神经行为变化的广泛文献，进行了综合分析。

引言

大量文献表明，来自外部环境的干扰会对工作记忆（WM）中的信息保持产生不利影响^1-9。外部干扰通常可分为两类：一类是来自个体本应忽略的无关信息的干扰，即分心（distraction）；另一类是作为另一任务（次要任务）目标的一部分而需要分配注意力的干扰信息，即中断（interruption）。采用被试内设计比较这两类外部干扰的研究，有助于评估目标导向的自上而下注意在处理和化解外部干扰过程中的神经行为学影响。

最近，Gazzaley 实验室设计了一种实验范式，可用于在工作记忆任务背景下，对“需注意”的中断事件与“需忽略”的干扰事件进行比较。该范式产生的新兴证据表明，这两类外部干扰对行为具有不同的影响，并涉及不同的神经机制^2-5,10,11。该范式揭示了正常衰老过程中对外部干扰处理的差异^2,3,4,10,11；尽管在干扰情境下与衰老相关的缺陷并非在所有研究中均被发现⁵；此外，该范式还利用高水平的视觉刺激（如面孔和场景）^2,3,4,12、低水平的视觉运动刺激（如点状运动图）^5,10,11以及低水平的听觉运动刺激（如频率扫描）⁵，区分了干扰物与中断物对干扰作用的机制差异。

外部干扰与老化

外界....

方案

以下步骤详述了如何实施这一新颖的认知范式，旨在阐明外部干扰对延迟识别工作记忆的神经行为学影响，其中包含针对与脑电图（EEG）或功能磁共振成像（fMRI）联用而优化的不同实验变体。在开始数据采集之前，须通过相应的机构审查委员会（Institutional Review Board）和/或人类受试者审查委员会，完成所有必要的人类受试者研究审批程序。

1. 准备

1. 根据制造商的说明，将实验呈现软件（如 E-Prime、Presentation 或 PsychoPy）下载并安装到专用的刺激呈现计算机上。
2. 准备适用于实验反应的适当键盘，并在两个相邻按键上分别贴上“是”和“否”标签（图 1）。
   注意：若本实验版本需结合 MRI 使用，请使用与 MRI 兼容的键盘。
3. 对于该范式的听觉版本，根据制造商说明准备适用于测试方式的耳机（例如：必要时使用适用于 EEG 或 MRI 的兼容耳机），并将声音强度调整至 65 分贝（dB）声压级（SPL），此强度对听力正常个体而言较为舒适。
4. 针对老年受试者的实验，应进行初步的神经心理学及感官筛查（如视力和听力筛查），以选择经过适当筛选的研究人群。
   1. 神经心理学筛查
      1. 设计一套神经心理学评估量表，用于筛查老年人的认知功能障碍。可通过纸质形式施测，或改编为计算机测试版本。
         ....

结果

这种干扰范式已促使人们获得关于分心和中断对年轻人与老年人工作记忆所产生的不同行为影响及神经机制的重要发现（总结见表2）。

行为。 在行为层面，与现有文献一致，中断相比分心对工作记忆表现造成的负面影响更为显著^{2-5, 10,11,12}。相对于年轻人，老年人表现出更严重的干扰性缺陷，尤其是在使用复杂视觉物体刺激（如面孔和场景）的该范式版本中^2,3,4。然而，在低水平听觉运动范式变体⁵以及低水平视觉运动变体⁵ （对先前已发表数据集的再分析^10,11）中，年龄并未加剧干扰性缺陷。值得注意的是，该任务的低水平视觉与听觉运动变体在每位个体（无论年轻或年老）中均采用了感知阈值化的刺激，这可能有助于产生与年龄无关的行为结果。

干扰的神经相关性。 采用功能性磁共振成像（fMRI）和脑电图（EEG）记录的神经数据表明，被动观看、需忽略和需.......

讨论

一种新的认知范式在研究分心和中断对工作记忆的干扰方面已显示出有效性。本文详细介绍了该范式及其多种变体，这些变体将其应用扩展到了不同的感觉模式、刺激复杂性水平以及成像方法。

实验开始前，需对所有参与者进行预筛选，以确保其具备适当的认知和感知能力。对于使用低级感知刺激的实验，应实施自适应阈值测定程序，将刺激校准至参与者间感知辨别难度相当的水平。根据预期的成像模式和刺激类型，遵循相应的实验变体参数。以交叉平衡的区组设计运行所有干扰条件（无干扰刺激、忽略分心刺激、关注中断刺激以及被动观看（仅在神经记录时需要）），并按上述方法比较各条件间的行為学和神经数据。若要探索不同类型刺激对工作记忆干扰的影响，只需在呈现脚本中替换所需的刺激材料即可。

采用该范式开展的现有研究存在若干局限性。尽管低水平视觉与听觉运动变体均使用由每位参与者通过自适应阶梯程序确定的感知辨别阈值，高水平视觉面孔与场景变体则未进行阈值校准，而是对所有参与者使用完全相同的刺激材料。尚需进一步研究以深入理解感知阈值校准对该干扰任务的影响。此外，所有行为学与脑电图（EEG）实验均.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
用于刺激呈现的计算机	Dell	Optiplex GX620	硬件/软件要求将根据刺激呈现软件的不同而有所变化
阴极射线管（CRT）显示器	ViewSonic	G220fb	21"；推荐使用，因其在显示视觉刺激时的延迟优于液晶显示器（LCD）；座椅应距离显示器75 cm
E-Prime 软件	Psychology Software Tools, Inc.	E-Prime 2.0 Standard	可使用其他实验呈现软件替代 E-Prime（例如 Presentation（Neurobehavioral Systems）或 PsychoPy（开源软件））；E-Prime 和 Presentation 兼容 Microsoft Windows 系统，PsychoPy 兼容 Microsoft Windows、Mac OS X 和 Linux 系统
用于行为或脑电图（EEG）实验的键盘/反应盒	键盘：Razer；反应盒：Cedrus	键盘：BlackWidow Ultimate；反应盒：RB-830	任何标准计算机键盘均可接受，但反应盒可提供更精确的时间控制（例如：Cedrus RB-830 可保证 1 ms 的时间分辨率）
用于磁共振成像（MRI）实验的键盘/反应盒	Curdes	Package 904	确保按键设备具有磁共振兼容性
耳机（用于听觉行为实验）	Koss	UR29
脑电图（EEG）兼容耳机（用于听觉脑电图实验）	Etymotic	ER3-50; ER3-21; ER3-14A
磁共振成像（MRI）兼容耳机（用于听觉磁共振实验）	Etymotic	SD-AU-EAER30