提取學習有利于學習與記憶的認知神經基礎*

梁秀玲 李 鵬 陳慶飛 雷 怡 李 紅

(1遼寧師范大學心理學院;2遼寧師范大學腦與認知科學研究中心,大連 116029)(3深圳大學腦功能與心理科學研究中心，深圳 518060)

1 引言

自從 Abbott(1909)發現提取(即測試)可以提高學習和長時記憶的成績以來,關于提取學習的研究已有100多年的歷史(Abbott,1909;Gates,1917;Spitzer,1939)。然而,直到最近10年,尤其是 Karpicke和 Roediger III(2008)在 Science上發表了提取學習比簡單的重復學習更加有利于長時記憶保持的報告以后,利用提取促進學習與記憶的研究才受到研究者和教育工作者的廣泛重視(Roediger III&Butler,2011;Roediger III,Putnam,&Smith,2011)。在此基礎上,研究者評估了十種學習方式(如總結法、關鍵詞記憶、重復學習、提取學習等)的適用性,結果發現提取學習是目前最為高效和最適于推廣的學習方式(Dunlosky,Rawson,Marsh,Nathan,&Willingham,2013)。

對學習過的知識進行提取(例如考試)可以取得更好的學習效果。已有研究發現,學習或記憶某些內容時,進行測試比額外的重復學習能更好地促進學習內容的長時記憶,這就是測試效應(testing effect),也稱提取學習效應(retrieval practice effect),這種效應在不提供反饋的情況下依然存在(Carrier&Pashler,1992)。同時,提取也能提高學習者在隨后編碼階段中的學習效果(Arnold&Mcdernott,2013a,2013b;Izawa,1971;Nelson,Arnold,Gilmore,&Mcdermott,2013;Past?tter,Schicker,Niedernhuber,&B?uml,2011)。然而, 大多數學生常常把考試看作是一種評估學習成績的手段,他們厭煩和害怕考試,往往不能意識到考試對學習效果至關重要。因此,提取這種學習方式在教育實踐中一直被人們所忽視和誤解(Karpicke&Roediger III,2007)。

事實上,提取學習可以直接或間接地提高學習和長時記憶成績(Roediger III&Karpicke,2006)。具體而言,提取學習的直接效應是指提取這一行為本身所產生的影響。例如,Karpicke和Blunt(2011)發現,提取促進了學習者的有意義學習,并有利于知識的推理和應用。研究者認為,提取活動是一個進行組織、連貫、整合、推理并應用知識的學習過程,提取本身提高了一個人未來再次提取這些知識的能力。同時,與重復學習項目相比,未成功提取的測試項目在未來具有更高的可獲得性和指導作用(Knight,Ball,Brewer,DeWitt,&Marsh,2012;Richland,Kornell,&Kao,2009)。此外,提取學習的間接效應是指提取對提取后再編碼活動的影響。例如,Wissman,Rawson和Pyc(2011)發現,學習前對知識進行測驗能促進新的不相關知識的學習,這可能是因為經過提取,學習者在隨后的學習階段中使用了更為有效的編碼策略或是投入了更加良好的編碼狀態。由此可見,利用提取進行高效率學習很有必要。隨著學齡的增長和知識水平的提高,學生從被監督學習轉變為自主學習,這就要求教育者在具體的知識類型和教育背景下能夠因材施教和因人施教,讓學生自己發現提取的益處,從而引導學生將這種學習策略遷移到課后或家庭作業的學習中(Dunlosky et al.,2013)。

在這些行為研究基礎上,研究者采用功能核磁共振(fMRI)技術,逐步揭開了提取學習效應認知神經機制的神秘面紗。研究者在探討提取學習效應時往往將被試分為實驗組和控制組。實驗組被試先進行學習,然后進行一次或多次提取學習,最后進行最終測試;而控制組被試先進行學習,然后進行一次或多次重復學習,最后進行最終測試(Tulving,1967)。后續的研究通過變化實驗的某些條件(如初學的程度,首次提取的時間、提取學習的次數),探討了多種實驗條件下的提取學習效應。近來,采用fMRI技術探討提取學習的神經機制的研究大多以健康大學生為被試,以詞對刺激(如Swahili-English詞對1)為材料,通過以下比較方式來探討提取學習相關的腦區活動：(1)提取學習和簡單重復學習的大腦激活差異;(2)提取學習而非重復學習時,可以預測隨后記憶成績的大腦激活區域;(3)初始測試未成功提取,隨后在重復學習階段中可以說明提取促進隨后編碼效率的大腦激活區域。本文結合近來的一些fMRI研究結果,從直接和間接參與提取學習認知過程的大腦區域出發,對提取學習的神經機制進行總結和述評,從而為進一步探索提取學習的大腦環路提供方向。

2 額葉區域參與提取學習

大腦皮層功能大都通過動物解剖、人類的腦損傷研究或有針對性的實驗設計來定位。研究表明,額葉與學習、記憶等認知功能密切相關(Barbey,Koenigs,&Grafman,2013;Borst&Anderson,2013),額葉的背外側區域、腹側區域以及扣帶前回分別與不同的認知功能相對應(Blumenfeld,Parks,Yonelinas,& Ranganath,2011;Blumenfeld &Ranganath,2007;Lehmann&McNamara,2011)。因此,接下來分別介紹這三個分區在提取學習中的作用。

2.1 背外側前額皮質在提取學習中的資源投入作用

已有研究表明,在記憶任務的編碼階段,背外側前額葉皮質(dorsolateral prefrontal cortex,DLPFC)負責組織工作記憶信息,加強項目間的關系,進而促進長時記憶(Blumenfeld et al.,2011)。其中,額下回(inferior frontal gyrus)與記憶提取過程中的監控和努力有關,它往往負責保持提取計劃、激活相關信息,并積極參與到對備選信息進行選擇的活動中(Badre&Wagner,2007;Race,Kuhl,Badre,&Wagner,2009)。同時,額下回與語義加工有關,在額下回的參與下,語義表征將存儲到大腦更加后部的區域(Wagner et al.,1998;Whitney,Kirk,O'Sullivan,Ralph,&Jefferies,2011)。

近來,van den Broek,Takashima,Segers,Fernández和 Verhoeven(2013)要求被試對 100個Swahili-English詞對進行學習,直到能成功提取兩次為止。掃描時,一半詞對進行重復學習,一半詞對進行提取學習,一周后進行最終記憶測試。結果發現,相對于重學,提取學習時額下回的激活更大。研究者認為這是由于提取學習時,個體從多種備選信息中提取相關信息,需要耗費更多的注意、努力等認知加工資源。此外,成功提取并不能確保隨后的正確回憶,但成功提取時的腦激活模式卻能預測隨后更好的記憶成績。具體而言,提取時左側前額皮層的激活能夠預測隨后更好的聯想記憶和學習成績(Liu,Liang,Li,&Reder,2014)。

2.2 腹側前額皮質在提取學習中的深加工與價值預期作用

記憶研究中,腹側前額葉皮質(ventrolateral prefrontal cortex,VLPFC)與目的的、非自動的編碼努力有關。記憶提取時,VLPFC負責線索具體化,反映記憶信息的成功形成(Blumenfeld&Ranganath,2007)。當前研究表明,提取學習時左腹側前額葉皮質與海馬的功能連接越強,對最終測試時成功提取的預測能力就越好。而且,只有通過海馬將腹側前額葉選擇的信息有效地整合到激活的表征中,才能促進隨后的記憶成績(Wing,Marsh,&Cabeza,2013)。

同時,左腹側前額葉與記憶提取和選擇有關,其前部區域在需要深加工的長時記憶編碼任務中有顯著的激活表現。左眶額皮質主要與獲取存儲的概念表征有關(Badre&Wagner,2007;Blumenfeld&Ranganath,2007)。Vestergren和 Nyberg(2013)以Swahili-Swedish詞對為材料,探討提取對隨后重復學習的影響,結果發現提取項目在左眶額部位的激活大于重學項目。研究者認為這是由于提取引起后來重學時的深加工,即重建外語詞匯語義表征的過程提高了學習者獲得Swahili詞及其因素表征的能力。此外,也有研究發現,眶額皮層在預期價值的學習和行為中具有關鍵作用(Jones et al.,2012)。當告知學習者最后會進行最終測試時,相比于重復學習,學習者能意識到提取在最終測試時將發揮更大的益處。

2.3 扣帶前回在提取學習中的記憶鞏固作用

近來,利用嚙齒動物(通過解剖分離其海馬的記憶作用)進行研究的報告發現,根據時間距離逐漸重組記憶網絡時,時間越久遠或越是鞏固的記憶,扣帶前皮質(anterior cingulate cortex,ACC)的激活程度也越大(Lehmann&McNamara,2011;Restivo,Vetere,Bontempi,&Ammassari-Teule,2009)。研究者認為,ACC與記憶鞏固過程有關。那么,有利于長時記憶的提取學習是否包含這樣的記憶鞏固活動？Eriksson,Kalpouzos和Nyberg(2011)以 40個 Swahili-English詞對為實驗材料,并以掃描前被試對40個詞對成功提取的次數作為參數,將每個被試的詞對材料分為回憶次數多和回憶次數少兩類。結果發現,掃描前詞對被成功提取的次數越多,掃描時其ACC激活水平越高。最初的ACC反應越強,五個月后的成績表現也越好。這表明,ACC可能是與提取學習相關的一個重要腦區。Keresztes,Kaiser,Kovács和Racsmány(2014)在探討重復學習或提取學習兩種學習策略與記憶間隔的交互作用時也發現,一周后進行最終測試掃描時,提取學習相對于重復學習在ACC有更大的激活水平。

3 頂葉區域參與提取學習

頂葉一般負責處理各種感覺信息,與語言、記憶功能的關系也較為密切(Cabeza,Ciaramelli,Olson,&Moscovitch,2008;Ojemann&Whitaker,1978;Wagner,Shannon,Kahn,&Buckner,2005)。一項元分析表明,額下回在提取中并非單獨發揮作用,顳中回、頂下葉都是整合不同語義概念的功能區(Binder,Desai,Graves,&Conant,2009),它們共同調節詞意的存儲和提取,把信息整合到更大的單元中進行語義加工(Lau,Phillips,&Poeppel,2008)。

3.1 頂下小葉在提取學習中的類工作記憶作用

頂下小葉(inferior parietal lobe,IPL)往往負責連接不同的高級認知功能,并參與復雜信息的整合和提取(Binder et al.,2009)。記憶研究發現,頂下小葉的活動既與非成功編碼有關,又與成功提取有關。其中,非成功編碼主要由注意分散引起(Daselaar et al.,2009;Vannini et al.,2011),而成功提取與頂下小葉有關。具體而言,成功提取的信息數量越大、質量越高、項目被記得的感覺越強、提取信息時投入的注意資源越多,頂下小葉的激活也就越強(Cabeza et al.,2008;Vilberg&Rugg,2009;Wagner et al.,2005)。van den Broek等(2013)進一步發現,提取學習后頂下小葉的激活水平更大,這既與一般記憶網絡活動(頂下小葉是默認網絡的一部分)的參與有關,也與項目的成功提取有關;而重復學習時頂下小葉的激活則可能是由非相關活動的增加引起的。事實上,當要求被試回憶先前的記憶項目時,與工作記憶任務相關的腦區也有顯著激活,包括額頂區、丘腦、左梭狀皮層以及中腦區域。由此可見,與工作記憶相關的一些腦區在提取學習促進長時記憶的過程中也具有重要作用(Keresztes et al.,2014)。

此外,Nelson等(2013)比較了提取學習和重復學習后,下一個編碼學習階段中的大腦激活差異。研究發現,左背外側前額皮層和前額葉皮層對重復學習更加敏感,而左側頂葉皮層和內側顳葉皮層更多的參與到提取學習活動中。更為重要的是,頂下葉的左后部對初始測試未成功回憶而在最終測試中成功回憶的項目具有特異性。換言之,提取有利于我們回憶出更多的記憶項目,與初始測試就成功提取的項目相比,初始測試未成功提取的項目在頂下葉的左后部有更大激活。也有研究表明,初始測試成功提取時,右后頂葉皮層的激活能夠預測隨后更好的學習成績(Liu et al.,2014);與重學相比,頂下葉在提取學習中的更大激活能夠預測隨后更好的記憶成績(van den Broek et al.,2013)。

3.2 角回在提取學習中的情景回放作用

除頂下小葉外,背側角回對初始測試未成功回憶而在最終測試中成功回憶的項目也具有特異性(van den Broek et al.,2013)。 Nelson等(2013)也發現,角回對測試項目未成功提取后的重學具有特異性。換言之,重學時,初始測試未成功提取,而最終測試成功提取的測試項目在左頂下葉和角回部位表現出更大腦激活。研究者認為,頂下葉和角回的激活表明提取與外顯的認知判斷產生了類似的認知過程,即重學時喚起了測試項目先前的測試情景,這種隱性的喚起可能影響最終測試時的大腦活動情況。

4 顳葉區域參與提取學習

成像研究表明,語義記憶提取與左側和前部的顳葉皮層激活相關(Simmons&Martin,2009)。情景記憶研究中,內側顳葉皮層在編碼和提取中都與成功記憶有關(Spaniol et al.,2009)。探討語義記憶和情景記憶關系的研究也發現,語義內容如詞語的成功提取或情景記憶測試時記憶狀態的成功提取都會激活左側顳葉皮層(Menon,Boyett-Anderson,Schatzberg,&Reiss,2002;Spaniol et al.,2009)。由此可見,顳葉與記憶提取緊密相關。這里將介紹顳葉區域(尤其是顳中回和腦島)在提取學習中的作用。

4.1 顳中回在提取學習中的詞義獲得和加工作用

研究表明,左顳中回及其鄰近區域參與語義表征存儲到長時記憶的活動中(Hagoor,2005)。一些研究還認為,詞義獲得發生在顳中回腦區,它是存放語義表征的概念特征的區域,或是一個連接語義表征和分散語義網絡的中心區域(Jamal,Piche,Napoliello,Perfetti,&Eden,2012;Zhuang,Randall,Stamatakis,Marslen-Wilson,&Tyler,2011)。van den Broek等(2013)認為,提取(而非重學)時顳中回的激活能夠預測隨后的記憶成績,即積極提取表征(而非被動重學表征)的過程能夠預測隨后的記憶成績,這可能是因為提取激活了相關的記憶表征,進而提高了項目的可獲得性(Carpenter,2011)。

此外,信息間關系的整合不僅需要整合機制,還需要獲得先前的知識。語義知識在記憶搜索中較為重要,這是因為為了產生特定的目標詞,大腦需提取并評估相關的語義概念。研究者認為這些語義知識經過重學或提取學習已經發生了不同程度的變化,而提取學習正是得益于語義信息的這種差別化加工。已有研究表明,提取(而非重學)時左顳中回的激活與隨后記憶成績相關聯(Tulving,2002)。實驗過程中,讓被試學習詞語或詞對并在一定時間后進行測試屬于情景記憶。提取學習后,學習者能更大程度地利用先前編碼的更加詳細且與目標具體化有關的語義信息(Wing et al.,2013)。van den Broek等(2013)同樣發現,與重學相比,提取學習在左顳中回的更大激活能夠預測隨后更好的記憶成績。Liu等(2014)也發現,初測時,學習項目的成功提取顯著激活了雙側顳葉,這些項目在后測時也能成功提取,這支持提取時語義記憶表征的精細化或啟動促進學習的觀點。

4.2 腦島在提取學習中的清晰表征作用

一個針對74項fMRI研究的元分析表明,腦島與語言相關的記憶功能有關(Kim,2011)。近來研究發現,無論是比較重學和提取學習兩種學習策略的腦激活,還是比較重學或提取后重新學習階段的腦激活,與重學相比,提取學習在尾狀核和中腦區域都有更大的激活,尤其是在左內側前額皮層的眶額部位至前腦島的區域(van den Broek et al.,2013;Vestergren&Nyberg,2014;Wing et al.,2013)。此外,與初學和最終測試都未成功提取的項目相比,初始學習時未成功提取而在最終測試時成功提取的項目在前腦島的激活更大。研究者認為,提取這一過程促進了未成功提取的項目在隨后重學階段中的編碼,而前腦島的更大激活反映了這一過程。此外,腦島可能與成功的言語關系編碼有關(Kim,2011)。同時,也有研究表明,腦島與視聽感知有關(Sterzer&Kleinschmidt,2010)。因此,研究者認為,語言/語義加工也會激活腦島。提取可能使語義表征更加清晰,它提高了重學的目的性和項目在未來提取時的可獲得性(Vestergren&Nyberg,2014)。

5 其它參與提取學習的大腦結構

此外,大腦的紋狀體、海馬等也參與了提取學習。相關腦區的激活主要表現在以下幾個方面：

5.1 腹側紋狀體在提取學習中的強調相關信息和增強注意作用

腹側紋狀體和中腦區域是與動機、情緒和獎賞系統有關的腦區(Pennartz,Ito,Verschure,Battaglia,&Robbins,2011;Shohamy&Adcock,2010)。從中腦蓋部投射到腹側紋狀體的多巴胺神經系統主要加工與動機有關的意義信息(Camara,Rodriguez-Fornells,Ye,&Münte,2009),記憶編碼時多巴胺神經系統使注意直接指向相關信息(Wittmann et al.,2005;Wittmann,Schiltz,Boehler,&Düzel,2008)。van den Broek等(2013)發現,與重學相比,提取時腹側紋狀體的激活更大,他們認為提取通過強調相關信息、增強注意來加強項目的記憶痕跡。這與提取時海馬與腹側蓋中腦區域多巴胺系統的連接能夠增強海馬促進長時記憶和學習的觀點是一致的(Roediger III&Butler,2011)。也有研究發現,多巴胺能調節認知資源的分配,在需要更多努力的任務中激活更大,從而優化對未來信息的加工(Boehler et al.,2011)。環境中易獲得的信息在未來仍易獲得,相反,需要努力從記憶中提取的信息提取時還要花費認知資源。因此,花費資源來記憶測試項目比記憶重學項目更有用,因為記得的測試項目減少了未來對認知資源的消耗(van den Broek et al.,2013)。

一般地,陳述性記憶由海馬-顳葉系統調控,而程序記憶由紋狀體和與其相連的基底節控制(Eichenbaum,2001;Foerde&Shohamy,2011)。近來的研究表明,腹側紋狀體能夠整合來自杏仁基底核外側核、海馬體、前額葉皮層以及其他區域的輸入信息,產生激發(結果-預測)信號作用于下游的運動系統,進而作用于目標導向行為。來自海馬體的輸入信息似乎與場景條件和空間處理有關,而來自杏仁基底核外側核的輸入信息與線索條件有關。腹側紋狀體同時調動陳述性記憶和程序性記憶相關的大腦功能,構成了第三種記憶系統(Pennartz et al.,2009,2011)。因此,測試效應可能不僅涉及傳統的陳述性記憶神經回路,腹側紋狀體的激活也增加了我們對其大腦神經機制的深入認識。

5.2 尾狀核和殼核在提取學習中的再鞏固作用

皮質下尾狀核和殼核的激活也為非成功提取促進隨后編碼提供了豐富的證據。研究表明,尾狀核和殼核與學習過程的再鞏固有關;在這一過程中,內在化的負反饋(即經過主體的思考和領悟)比非內在化的負反饋更多地激活尾狀核和殼核(Haruno&Kawato,2006)。Liu等(2014)研究發現,初始測試未成功提取,尾狀核和殼核在隨后重學中的大腦激活能預測隨后測試的成績。換言之,被試越是將負反饋內在化,重學階段的記憶表征加工就越有效,進而促進了隨后的記憶測試成績。Vestergren和Nyberg(2014)研究表明,右尾狀核在測試項目中的激活更大,這在一定程度上支持未成功提取促進編碼的觀點。

5.3 海馬在提取學習中的整合作用

記憶研究認為,編碼時,海馬負責將分散信息捆綁到一個整合表征中(Yassa&Stark,2011);提取時,海馬協調恢復新近存儲項目間已形成的聯系(Norman&O'Reilly,2003)。眾多行為研究表明,測試與關系加工(如語義精細加工)有關(Carpenter,2011;Chan & McDermott,2007;Verkoeijen,Tabbers,&Verhage,2011)。關系編碼的研究發現,前海馬體的激活能夠預測隨后的成功記憶(Jackson&Schacter,2004)。在成功編碼和在線索、自由回憶的測試中也能發現海馬的激活(Habib&Nyberg,2008;Meltzer&Constable,2005)。海馬的激活可能支持關系加工參與提取學習的觀點(Wing et al.,2013)。同時,Wing等(2013)進行大腦功能連接分析發現,提取加強了海馬同腹側前額皮層和中線區域的關聯。

6 總結與展望

根據以上關于提取學習大腦神經機制的研究可以發現：

與重復學習相比,提取學習激活更大的腦區包括前額葉皮質(額下回、眶額部位)、(左)頂下葉、顳葉皮層(顳中回、腦島)以及一些皮層下結構,如腹側紋狀體、中腦區域、海馬、丘腦,且成功提取都會激活額葉、海馬、顳葉皮層。提取學習(而非重學)時前額皮層、頂下葉、顳中回的腦激活能夠預測隨后記憶成績。初始測試未成功提取,隨后的重學階段中左后頂下葉、角回、腦島、尾狀核和殼核的激活更大,這在一定程度上揭示了提取促進隨后編碼的大腦神經機制。

同時,提取學習不僅需要單個腦區的參與,它也是大腦內部協同運作的結果。大腦額葉、頂下葉、顳中回共同參與到提取學習的活動中來,從而將信息編碼到長時記憶里。此外,在從編碼到存儲信息的過程中,提取也加強了海馬與左腹外側前額葉皮質、扣帶前回,以及海馬與頂葉、顳葉部分皮質的功能連接。

總體而言,提取學習時,在認知資源的投入和一般工作記憶系統的參與下,提取學習是一個獲得(提取使語義信息水平發生變化,更易利用先前具體的細節性語義信息)、加工(激活語義記憶表征)、整合和鞏固語義關系的過程。在這一過程中,學習者經過對提取的價值評估,從而關注相關信息,投入更多注意資源,它使成功提取項目得到了再鞏固(或產生情景依賴)、未成功提取項目在隨后的重學階段中進行再鞏固(提取使語義表征更加清晰,使重學更具目的性)。相關腦區在提取學習中的作用如圖1所示。從圖中可以發現,提取學習不僅同時調用認知和情感大腦機能、皮層與皮層下結構機能,還同時發揮語義記憶和情景記憶優勢來促進學習。因此,提取學習是學習者和教育者值得運用的一種生態化學習策略,它減少了未來回憶的資源消耗,有利于提高學習和長時記憶效果。

然而,關于提取學習利于學習與記憶的認知神經基礎還有較多問題需要深入探討：

首先,關于提取學習時其腦區激活與提取學習的認知理論間的關系的研究還有待加強。后續研究可以探討在提取學習的過程中,不同功能腦區之間是如何進行協調工作來促進學習與記憶的？

其次,當前研究大多以詞對刺激為實驗材料,并以線索回憶為最終測試任務來探討提取學習的大腦神經基礎,所以腦激活差異也主要體現在大腦左半球。鑒于此,未來的研究可以使用更為豐富的實驗材料和多樣化的測試方式來深入探索其機理,如詞匯-圖片匹配任務。

最后,越來越多的研究開始關注提取學習與情緒、動機、人格等非智力因素間的交互作用(Clark,2013;Finn&Roediger III,2011;Lindsey,Shroyer,Pashler,&Mozer,2014)。因而,紋狀體等一些與情緒、動機有關的皮質下結構在提取學習中的作用仍需更多研究來深入探討。

圖1 相關腦區在提取學習中的作用(引自于“3D Brain”,DNA Learning Center,Cold Spring Harbor Laboraty,NY)

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