眼睛運動如何與記憶相關？

摘要 很久以來，人們一直在致力于研究人的眼動與心理活動之間的關系，從而揭示其間的奧妙。眾多研究表明，睡眠時的快速眼動（Rapid Eye Movements， REM）及其周期對記憶的形成與鞏固有重要作用。在清醒狀態下，人的眼動就是為了獲得視覺信息，如果涉及記憶任務，這就是編碼階段的具體行動。另外，問題解決過程也有眼動參與。總體看來，眼動和記憶之間是一種雙向的關系，適當的眼動訓練或許能夠提高記憶成績。

關鍵詞 眼動，記憶，快速眼動睡眠，視覺搜索。

分類號 B842

多數情況下，人們所說的眼動是指為了獲得視覺信息的眼動；而有些眼動雖然不是為了獲得視覺信息，但仍然與人的心理活動有關。例如，睡眠過程中的快速眼動就與人的無意識信息加工相關。因此，文中所說的眼動是廣泛意義上的眼動，它包括能夠獲得視覺信息和不是以獲得信息為目的的眼動。

1 睡眠時的眼動與記憶#61472;

早在200年前，David Hartley首次提出“做夢可能會改變記憶的強度”的觀點。但究竟是做夢還是睡眠對記憶過程產生影響呢？人們對這一問題仍然是莫衷一是^[1]。當然，睡眠要比夢境的范圍更大，而兩者之間是密不可分的。睡眠過程中，大腦內部的自發活動可以通過身體的外部動作表現出來，如眼睛的快速運動。當睡眠中出現快速眼動時，這一階段的睡眠也被稱為快速眼動睡眠（Rapid Eye Movement Sleep，REM Sleep）。人的快速眼動睡眠隨年齡不同存在很大差異。成人一般每晚在1.5小時左右，新生兒每天達8小時，早產兒則會更多，這說明，胎兒在子宮內存在著大量的REM睡眠^[2]。從分子水平上來看，人在睡眠和清醒狀態下大腦的神經化學結構發生了改變，尤其是在REM睡眠狀態下，海馬中的膽堿能（cholinergic）會有所改變，大腦的這種神經化學方面的變化可能提供了一種與海馬有關的記憶貯存機制，這種機制就是通過睡眠而產生的特定神經細胞聯結通路^[3]。動物的REM睡眠與學習能力之間存在一定關系。雖然人的REM睡眠時間與學習成績也有一定關系，但人的REM睡眠與記憶形成之間的關系還需要進一步研究^[4]。

Smith發現，學習一段時間以后，REM對人和動物的記憶效率都很重要^[5]。缺少REM睡眠將嚴重影響人的認知過程，而不會影響人們對外界景物的描述。如果REM階段（第二階段睡眠）是完整的，那么，人的精細動作會更準確。但目前尚不能確定大腦的哪些部位在REM階段被激活。元分析研究發現，REM在程序性學習中起重要作用，但對描述性記憶則沒有什么作用。夢境中，記憶可能被激活或重新組織，但究竟哪一個記憶系統在此過程中被激活還不很清楚。伴有REM的夢境與新奇事件、熟悉的內容以及情緒緊密相連^[1]。因此，睡眠和夢境在學習與記憶中具有重要作用。睡眠的功能之一就是加工和形成記憶痕跡^[6]。

在睡眠過程中，REM睡眠并非一直存在，它有一定周期性，因此，也存在非快速眼動睡眠（即Non-REM睡眠或NREM睡眠）。睡眠可以提高人的學習和記憶，這是人們已有的共識。Benington等認為，在這種觀點的背后暗含著這樣的假設，即睡眠加強了突觸間聯接的可塑性^[7]。然而，僅有REM睡眠似乎是不夠的，REM睡眠之間的轉換比單個的REM睡眠對記憶更加重要。對小白鼠而言，學習后的90分鐘內的REM睡眠對記憶非常重要。但也可能由于任務類型、個體的緊張水平以及學習方式等都會影響學習與REM睡眠之間的時間間隔。對人的研究結果也表明，NREM﹣REM睡眠周期與詞表記憶之間呈正相關^[8]。Krueger等發現，NREM睡眠和REM睡眠在突觸重組織過程中具有同樣的作用^[9]。人在REM和NREM不同階段被叫醒時，他們所報告的夢的內容所涉及的記憶類型并不相同，REM階段報告的內容比NREM階段報告內容涉及更多的語義知識；在REM后期比早期涉及更多的語義來源^[10]。Atienza等通過比較清醒狀態和REM狀態下的腦電的失匹配負成分（mismatch negativity component，MMN）發現，在REM睡眠狀態下，感覺記憶痕跡至少可以持續3秒鐘^[11]。Dotto等則發現，學習后的第一個晚上和第三晚的REM睡眠將影響對學過內容的記憶，而學習后的第二晚的REM睡眠對記憶沒有什么影響^[12]。作為回憶特定事件的陳述性記憶也不會受REM睡眠的影響。對過程動作的學習（包括許多運動項目）成績受睡眠的第二階段（零點開始的幾個小時）影響。另外，在慢波睡眠（slow wave sleep，SWS）（睡眠的早期階段）和REM睡眠（睡眠的后期階段）中進行面孔內隱記憶測驗，結果表明，面孔內隱記憶主要得益于與腦機制有關的REM睡眠^[13]。

2 如何通過眼動形成記憶

既然睡眠中伴隨的眼動與人的記憶有關，那么，在覺醒狀態下的各種眼動是否與記憶有關呢？這一問題的答案是肯定的。早在1878年Javal就試圖將眼動作為心理活動的指標^[14]。經過100多年的研究，人們對眼睛運動的本質特性有了深刻認識，尤其是近30多年來，眼動記錄技術的發展為揭示眼動在認知過程中的作用提供了可能性。

2.1 視覺信息整合

通常情況下，眼睛的側向運動偏好反映了大腦兩半球信息加工的不對稱性，眼睛偏好向左運動的人的右半球加工占優勢；相反，偏好向右運動的人的左半球加工占優勢。而對位置的記憶不受這種半球加工優勢影響^[15]。但眼睛在進行跳動的時候，大腦會將以前記憶階段的眼睛運動情況也考慮進去，作為參考，以形成新的眼跳計劃，這就是所謂的預覽效應（preview effect）。它說明信息會在跨眼跳記憶（transsaccadic memory）中保存，并與下一個注視所獲得的信息進行整合^[16]。在眼睛向曾經記憶過的目標跳轉之后，接著還會有一個多余的跳動。這個多余的跳動是在沒有反饋的情況下使視線更加接近目標。因此，額外的網膜信號在眼睛向記憶過的目標移動的過程中的作用是很小的^[17]。Sheth等發現，在視覺記憶中，同樣會產生錯誤，這些錯誤不取決于是否有眼動存在，甚至與計劃也無關^[18]，這說明，這種效應是知覺性的，而不是感覺運動水平上的。進一步研究表明，目標呈現與對其位置判斷之間的時間間隔是產生上述現象的重要原因，兩者之間的時間間隔顯著增強了空間壓縮量的大小，進而產生這種效應。因此，視覺記憶中的位置錯誤隨時間不同而成單調的系統變化。這取決于觀察者在目標呈現時或之后很短時間內對固定位置的持續的注視。Krappmann發現，眼睛跳向記住的目標通常并不很準確，經常跳不到目標所在的位置^[19]。產生這種現象的原因在于：（1）與記憶有關的過程，（2）在視網膜上將目標的像轉換成與記憶有關的空間表征的過程中，空間分辨率比較低。記憶引導的眼跳誤差產生于感覺運動不能精確地協調轉換。Kori等發現，不能簡單地將記憶引導的眼跳錯誤歸結為記憶階段眼睛在水平方向上注視所產生的錯誤，而是記憶階段的眼動控制預測機制功能喪失所致^[20]。例如，閱讀障礙者眼睛跳動潛伏期比正常閱讀者長，緩慢跳動次數比正常閱讀者多，回掃次數也更多。因此，閱讀過程和眼睛跳動系統都是由視覺‐空間注意和眼睛的注視系統控制，而閱讀障礙患者的視覺-空間注意和眼睛的注視系統可能受到了損傷或發展緩慢^[21]。

2.2 從視覺搜索到工作記憶

視覺搜索過程就是將實時獲得的信息與工作記憶中的信息進行比較，兩者匹配時搜索便成功。在此過程中，如果刺激與工作記憶中的搜索目標相似，它就會被注視。一旦刺激被注視，那么，在之后的跳動過程中被再一次注視的可能性就將減小。這一過程就是返回抑制（inhibition of return，IOR）。但Gilchrist等發現，被試經常會再一次地注視曾經被注視過的項目^[22]。這種現象反映了記憶功能的有限性。人們在閱讀過程中，眼睛對文章內容的注視時間取決于目標詞的熟悉性和文字所能提供的信息。閱讀者能夠判斷文章中的哪些部分是關聯的，并使用熟悉的信息去推測新詞的意義^[23]。當眼睛朝向曾經記憶過的目標只需一次跳動時，這是受意識控制的；而多次跳動就未必受意識控制了^[24]。短時記憶系統引導著注意焦點，它能夠有助于將視線重新迅速集中到剛剛注視過的目標上^[25]。從眼睛跳動來看，工作記憶在人的優勢行為反應抑制方面起著決定性作用^[26]。當目標附近存在一個分心刺激時，眼跳往往會落在目標和分心刺激之間，這種效應叫做整體效應（global effect），它是空間加工過程中眼睛跳動的主要特性。眼睛的這一跳動被稱為主眼跳（primary saccade），Eggert等發現，主眼跳的位置取決于視覺系統獲得目標信息的程度，該過程與用于空間知覺和對記憶誘導的眼跳進行調整的過程有所不同^[27]。

在很多活動中，如閱讀，被加工的信息會在記憶中保持一段時間，這就使得來自眼睛的不連續的信息和連續運動的輸出信息之間可以進行匹配，進而使眼睛能夠完成一個以上的任務^[28]。人們在觀看外界景物時，大腦必須對視網膜信息和眼睛運動信息進行轉換。理想狀態下，眼動應當符合目標的要求，但實際上，對記住目標的眼動會產生空間誤差，信息轉換并不是嚴格按統一的模式進行的^[29]。Christman等發現，在記憶測試之前，進行30秒的水平眼跳運動，回憶在實驗室中學習的材料以及日常生活中的事件^[30]。結果表明，眼動對內隱記憶沒有影響，而雙眼運動則可以提高情景記憶成績，這反映了兩半球間的相互作用。帕金森綜合癥患者的眼睛對記憶過目標的跳動模式與工作記憶損傷者的眼動模式存在極高的相似性^[31]。Marcel等進一步發現，眼動不僅影響記憶的生動性和情緒色彩，同時，也會影響之后的回憶^[32]。因此，位置記憶錯誤是由于眼動造成的^[33]。在人的問題解決過程中，眼動也是一個重要的信息來源，它可以說明人在解決圖形問題中的工作記憶的限制，為人的認知過程提供重要信息^[34]。與正常人相比，帕金森癥患者在解決幾何問題時的眼動錯誤更多，注視時間更長。這說明，他們在問題解決過程中難以對目標信息進行編碼和保持，這一推論與前紋狀區（fronto-straital circuits）在工作記憶和注意中的作用是一致的^[35]。Snitz等通過比較精神分裂癥患者與正常人的空間工作記憶及眼動特點發現，前額功能缺失是產生上述差異的原因^[36]。Epelboim等用眼動幾何推理引擎（Oculomotor Geometry Reasoning Engine，OGRE）理論對解決幾何問題過程中的眼動和視覺工作記憶進行了估計^[37]。通過眼動參數估計3位被試（2位專家，1位非專家）的視覺工作記憶容量。他們的視覺工作記憶容量分別是：5.3±1.4、4.0±0.9和4.7±1.6。Unsworth等進一步發現，在反射性眼跳的抑制和產生有意眼動方面，工作記憶廣度小的人都比廣度大的人能力差^[38]。反過來，眼動也會對工作記憶中的注意成份產生干擾^[39]。

2.3 眼動模式的任務依賴性

當人們只是看一個圖畫時的眼動和邊看邊打節拍時的眼動模式是不同的；人們看圖和閱讀時的眼動模式也存在很大差異。例如，就注視時間而言，默讀（225ms）要比看圖（330ms）短，而視覺搜索（275ms）則介于兩者之間。視覺搜索（眼動）是一個獨立的過程，當記憶負荷過重時，它可以提高記憶效果^[14]。注視過程中視覺信息的保存依賴于不同時刻的任務特性。注視時間的增加反映了對呈現刺激進行加工的結果^[40]。盡管被試常常能夠回憶出未被注視的目標，但眼睛的跳動對確保好的回憶成績仍然非常重要。當呈現時間增加時，眼睛跳動之間的間隔時間也會延長。整體掃描策略受到呈現時間的影響。距離權重選擇模型（Random Selection with Distance Weighting，RSDW）模型認為，每一個眼跳的目標都是以距注視點的距離為權重，從所有可能性中隨機選擇的，而與該部分是否曾被注視過無關。視覺記憶的回憶成績并沒有反映出被試在記憶過程中對眼睛往哪里看作出即時決定。盡管視覺記憶成績很好，但并不能總是從眼動測量中反映出來，這也許是因為快速的在線（on-line）記憶提取需要巨大的資源^[41]。眼動似乎可以開啟神經系統并使大腦對學習過的內容（經驗）進行加工，這些過程可能發生在快速眼動期或有夢睡眠中，眼動似乎也參與對無意識材料的加工^[42]。

通過眼動所保持的視覺信息是抽象的，而不是一一對應的具體信息。眼睛跳動之間所保持的記憶就是視覺短時記憶^[43]。Althoff等發現，名人和普通人的面孔所引發的眼動模式是不同的^[44]，這說明確實存在著以眼動為基礎的記憶效應。這種效應反映在前5個注視點在名人面孔中的分布位置，即觀察者對名人面孔不同部位的取樣行為變化。也可以將眼動基礎上的記憶效應看成是對新刺激和重復呈現刺激加工的差異，就像重復啟動引發的效應一樣。因此，眼動基礎上的記憶效應是視覺模式分析器和大腦中信息加工機制共同參與的必然結果。

3 小結

作為獲得視覺信息的重要途徑，眼動一直被人們重視。研究者提出了各種模型去解釋眼動在這一過程中的活動特點，如閱讀中的E-Z模型、圖形知覺的掃視路徑（scan path）模型等，這些模型都有工作記憶參與。因此，眼動與記憶之間的關系是顯而易見的，它至少涉及到了記憶的編碼過程與記憶的形成過程（REM睡眠與記憶形成的關系）。實際上，利用眼動訓練提高閱讀效率就是通過優化眼動增強工作記憶的過程。隨著眼動技術的不斷發展，實驗設計的限制正在減弱，這必將增加拓展眼動研究領域的可能性。從方法上講，將來的眼動研究可以結合腦成像（fMRI）、腦電（ERP）以及透顱磁刺激（TMS）等其他先進的技術，從整體上探討眼動在記憶中的作用；同時，尋找更有效的統計分析方法對眼動數據的進行分析，以獲得對眼動的更深刻的認識。從研究取向上講，眼動作為一種比較容易觀測的外顯行為，具有一定的可塑性，除了繼續深入研究與記憶相關的眼動特點外，還可以反過來，對如何通過訓練，改變眼動模式，以提高記憶效果或學習效率等方面進行研究。

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Do Eye Movements Involve Memory?

Ding Jinhong，Zhang Qin，Guo Chunyan

（Department of Psychology， Capital Normal university， Beijing 100089， China）

Abstract: Researchers have been exploring the relationship between human eye movements and mental activities for hundreds of years. Many studies indicated the significance of rapid eye movements (REM) and its cycle during sleep on the memory formation and consolidation. During awaking state， the aim of human eye movements is to obtain information from outside world. It should be a encoding procedure if a memory task involves. In addition， eye movements are related to human problem solving. The previous results suggest that eye movements and memory interact reciprocally， and a proper eye movements training could improve reading and memory.

Key words: eye movements， memory， Rapid Eye Movement Sleep， vision search.

收稿日期：2004-12-10

* 北京市重點實驗室“首都師范大學——學習與認知實驗室”和北京市重點學科“首都師范大學——發展與教育心理學”資助。

#61472;通訊作者：丁錦紅，E-mail: ding.jh@263.net