知覺負荷與負性情緒對工作記憶的影響：一項ERP的研究*

陶愛華，厲　行，潘發達

(1.南通大學杏林學院，南通 226007；2.南通大學教育科學學院，南通 226019)

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知覺負荷與負性情緒對工作記憶的影響：一項ERP的研究*

陶愛華1，2，厲行1，潘發達2

(1.南通大學杏林學院，南通 226007；2.南通大學教育科學學院，南通 226019)

摘要：采用事件相關電位技術(ERPs)，結合0-back范式，對19名來自某高校的大學生進行測試，考察了知覺負荷與負性情緒對工作記憶的影響。行為結果發現，情緒類型、任務類型和知覺負荷的主效應均顯著，但三因素在反應時和正確率上均不存在交互作用。ERP 結果發現，P3的平均波幅在情緒類型、任務類型和知覺負荷上的主效應均顯著，且情緒類型與電極點，情緒類型與知覺負荷，任務類型與知覺負荷，任務類型、電極點與知覺負荷均存在交互作用。說明工作記憶受知覺負荷、情緒類型和任務類型的影響，且彼此相互影響。

關鍵詞：知覺負荷；負性情緒；工作記憶

1引言

情緒與記憶的相互作用及其潛在神經基礎，已成為近年認知神經科學的熱點研究領域。基于情緒與工作記憶的關系，Eysenck和Calvo提出的“加工效能理論”被認為是負性情緒影響工作記憶的重要理論(Eysenck & Calvo，1992)。該理論認為，個體工作記憶系統資源有限，焦慮情緒會占用部分工作記憶資源，使用于認知操作的工作記憶資源減少，導致正確率降低或反應時增加。負性情緒選擇性地影響空間工作記憶(Lavric，Rippon，& Gray，2003；Shackman，Sarinopoulos，Maxwell，et al.，2006)。而導致這種選擇性影響的機制還不清楚。

目前有關負性情緒選擇性地影響空間工作記憶的解釋有兩種。一種是Shackman假設情緒和記憶的沖突可能是因為皮層的功能重疊，負性情緒和空間工作記憶都存在右半球優勢，故而產生相互影響。另一種是Lavric認為沖突可能是認知資源的競爭。負性情緒占用大量注意資源，而這種注意資源在空間工作記憶中發揮著重要作用，因此空間工作記憶功能受損。

圍繞負性情緒是否選擇性地影響空間工作記憶以及相關影響機制等問題，ERP研究提供了一些神經生理學證據。如Li 等人研究發現頭皮前部的晚期正成分(late positive components，LPC)僅在空間任務中受影響，這種選擇性影響從刺激消失后200ms出現，而P200成分被認為與早期注意資源分配有關，表明負性情緒對空間工作記憶的影響可能是由于注意資源競爭造成的(Li，Li，& Luo，2005)。之后Li 等又進一步采用鎖時延遲樣本匹配任務范式，發現在空間或言語編碼與提取階段，言語或空間任務的早期P3b成分和晚期P3b均減少。在保持階段，負性慢波NSW表明一個顯著的情緒狀態和任務類型的交互作用。負性情緒比中性條件下僅在空間刺激試驗中誘發了一個更多的負性偏移。表明，負性情緒對空間和言語工作記憶存在不同效應且主要發生在信息保持階段，特定情緒與一定的認知加工過程存在一個恒定的關系(Li，Chan，& Luo，2010)。注意資源競爭可能是情緒與工作記憶的選擇性交互作用的潛在神經機制(Li，Ouyang，& Luo，2010)。這種選擇性影響并非由情緒誘導方式決定且具有一定穩定性(歐陽崢崢，孫世月，李雪冰，羅躍嘉，2010)。

上述研究均表明負性情緒對言語/空間工作記憶的影響差異主要體現在保持階段的晚期正成分P300成分的變化差異上，P300成分波幅的變化與情緒喚醒效應有關，即反映情緒捕獲了注意資源(Keil，Bradley，Jungh?fer，Russmann，Lowenthal，& Lang，2007)。負性情緒與空間工作記憶產生的注意資源競爭與認知負荷密切相關(李雪冰，羅躍嘉，2011)。Wiens等(2012)發現高情緒強度可以避免空間忽視和知覺負荷的影響，提示情緒與注意及知覺負荷存在競爭的作用。Bancroft，Hockley和Servos(2014)也發現工作記憶的保持不僅依賴于前額皮質，還與知覺皮質有關。

綜上可知，負性情緒選擇性地影響空間工作記憶的保持階段，表現為P300成分波幅受負性情緒影響而減小，且這種影響可能與知覺負荷的調節有關。為探討負性情緒對空間工作記憶的選擇性影響是否受知覺負荷的調節，該研究繼續采用n-back 任務范式，為區分認知負荷(此模式的特點是通過控制N的大小來操縱工作記憶負荷)，實驗中僅采用0-back任務范式(以往研究表明在2-back的任務中才出現負性情緒對空間工作記憶的選擇性影響)，以同時呈現的字母個數來操作知覺負荷大小，考察不同知覺負荷下負性情緒影響工作記憶的加工機制。

2研究方法

2.1被試

有償招募南通大學學生19名，平均年齡為22歲，其中男生9人，女生10人，均為右利手，無身心疾病，無色盲色弱。被試以自愿形式參加實驗，并簽署知情同意書，實驗結束后向被試支付一定數量酬勞。

2.2實驗材料

84張情緒圖片來自國際情緒圖片系統(IAPS)：42張為令人厭惡的圖片和42張為中性圖片。根據IAPS評分，厭惡圖片比中性圖片具有更高負性情緒效價(2.15±0.43vs.5±0.35；T(41)=-36.534，P<0.001)，情緒喚醒程度也更高(6.34±0.62vs.3.24±0.59；T(41)=23.324，P<0.001)。練習圖片和正式實驗圖片不同。并用圖像軟件PhotoShop 6.0 將圖片大小、亮度、對比度調成一致。

2.3實驗設計

實驗為2×2×2 被試內設計。自變量1為情緒變量，包括負性情緒和中性情緒。自變量2為工作記憶類型，包括言語和空間工作記憶，自變量3為知覺負荷，包括1個字母和3個字母。因變量為被試再認任務的反應時和正確率。

2.4實驗程序

情緒誘發：通過情緒圖片反復呈現誘導被試的特定情緒，要求被試對情緒狀態做主觀報告，圖片反復呈現直到報告有負性或中性情緒產生為止。

為保證被試在同一時間段內情緒的穩定性，實驗分為前后兩個section，分別對應兩種不同的情緒條件。每一階段只呈現同類圖片，中間休息 20 分鐘，防止互相干擾。

采用E-prime2.0編制實驗程序。被試兩眼注視屏幕中央，雙眼距離屏幕75 cm。采用0-back工作記憶任務。被試只需要記住每次試驗開始時第一個出現的刺激，接下來出現的刺激都與第一個進行比較。刺激為12個英文字母(A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L)隨機出現的一個或三個，可能出現在屏幕的12個位置中的一個或三個上。這12個位置是兩個虛擬的半徑為2cm和6 cm的圓與3條直徑(一條水平軸，兩條平分線)夾角為45°或90°的直徑的交點。

每個section包含一個字母任務和一個空間任務，每個任務包含一個字母和三個字母，每種任務有80個trial，每個trial包括：字母呈現時間300ms，反應時間1500ms，間隔200ms。每個section之間間隔10min。在言語工作記憶任務中，要求被試比較出現的字母，忽略字母出現的空間位置；在空間工作記憶任務中，要求被試比較字母出現的位置，而忽略字母本身。一半被試對相同刺激按“v”鍵，不同刺激按“m”鍵，另一半被試的按鍵反應相反。每種試驗條件在被試之間平衡。每個section之后，被試需要在9點情緒自評量表(SAM)上對自己目前的情緒狀態進行評分。

圖1　實驗流程圖

3結果和分析

3.1行為數據

剔除反應時小于100ms和大于1000ms以及正負三個標準差之外的數據和錯誤反應數據，剔除正確率低于80%被試的數據，采用SPSS 18.0統計軟件對各種實驗處理水平下的反應時和正確率進行重復測量方差分析，平均值和標準差見表1。

表1　反應時和正確率的平均數和標準差

表2　反應時和正確率的方差分析

注：*表示在0.05水平上顯著。

3.2腦電數據記錄與分析方法

實驗儀器為美國Neuroscan公司腦電記錄系統Scan4.5，參考電極置于左側乳突連線，離線分析時以M1和M2的平均作為參考電極，GND點接地，采用64導電極帽記錄腦電，記錄水平眼電和垂直眼電，采樣頻率為500Hz/導，頭皮電阻降至5kΩ以下。同時記錄被試行為數據(正確率和反應時)。進行離線分析(off-line analysis)，合并行為數據，分析時程(epoch)為刺激呈現前200ms至刺激呈現后1000ms，以刺激呈現前的200ms為基線，濾波帶通為AC=0.05-100Hz，自動矯正眨眼等偽跡，對正確反應的trial進行疊加和平均得到ERP總平均波形。

按國際標準10-20系統位置放置電極，選擇12個電極位置記錄的ERP波形用于統計分析，分別為F3、FZ、F4、FC3、FCZ、FC4、P3、PZ、P4、PO3、POZ、PO4；確定時間窗為P3：150ms-300ms。

對ERP波形的測量指標進行重復測量方差分析，檢驗情緒類型、任務類型和知覺負荷對工作記憶加工過程的影響。對不滿足球形檢驗的統計效應采用Green-house-Geisser法進行P值校正。各極點P3幅值的平均值和標準差見表3。不同電極點的腦電幅值見圖2。

表3　各極點P300幅值的平均值和標準差

表4　P300的方差分析

續表4

效應FSig類型*電極2.5190.100情緒*類型*電極3.240.053負荷*電極2.960.067情緒*負荷*電極1.460.303任務類型*負荷*電極5.640.011*情緒類型*任務類型*知覺負荷*電極點3.280.051

注：***表示在0.001水平上顯著，**表示在0.01水平上顯著。

圖2　不同處理水平下電極腦電圖

4討論

Eysenck和Calvo提出的“加工效能理論”認為，焦慮情緒會占用部分工作記憶資源，導致認知操作正確率降低或反應時增加。對于負性情緒條件下工作記憶反應時較中性長，正確率也較高；這種工作記憶反應時的情緒效應可能是基于認知資源的，也可能是由于負性情緒下個體在工作記憶任務中采用了規避風險的保守策略。為了確定負性情緒對空間工作記憶的選擇性的影響機制是基于認知資源的，研究者們考察了諸多外部因素的作用，比如羅躍嘉等人(2010)采用0-back任務范式和2-back任務范式，發現這種選擇性的影響機制受認知負荷的影響并具有特定性與選擇性。情緒捕獲了注意資源(Keil，Bradley，Jungh?fer，Russmann，Lowenthal，& Lang，2007)。負性情緒與空間工作記憶產生了一個視空間注意資源競爭，這種競爭機制與認知負荷密切相關(李雪冰，羅躍嘉，2011)。Wiens等(2012)通過讓被試注視情緒圖片中心的字母，發現高情緒強度可以避免空間忽視和知覺負荷的影響，情緒與注意及知覺負荷可能存在競爭的作用。Bancroft，Hockley和Servos(2014)發現工作記憶的保持不僅依賴于前額皮質，還與知覺皮質有關。那么負性情緒對空間工作記憶的選擇性的影響機制是否又受知覺負荷的調節呢？該研究結果表明情緒類型、任務類型和知覺負荷均對工作記憶有影響。對于言語工作記憶，3個字母時反應時較1個字母長，正確率較1個字母低，對于空間工作記憶，3個字母時反應時較1個字母短，正確率較1個字母低。也就是說，隨著知覺負荷的增加，不管是言語工作記憶還是空間工作記憶，正確率均降低。而在反應時上，僅言語工作記憶隨知覺負荷的增加而增加，空間工作記憶出現了相反的情況。這表明負性情緒對空間工作記憶并不是簡單的選擇性影響機制，跟信息的加工通道有關。

此外，ERP 研究提供了一些神經生理學證據，首先是Li 等人采用鎖時延遲樣本匹配任務范式，探討不同階段負性情緒對言語/空間工作記憶加工的影響。發現在編碼以及提取階段，言語或空間任務的早期P3b成分和晚期P3b均減少。在保持階段，負性慢波NSW表明情緒狀態和任務類型存在顯著的交互作用。特定情緒與一定的認知加工過程間存在一個恒定的關系(Li，Chan，& Luo，2010)。其次，歐陽崢崢等人對情緒的誘導方式進行探討，發現負性情緒的這種選擇性影響并非由情緒誘導方式決定且具有一定穩定性，只有空間任務的 P300成分受到負性情緒的影響而減小。負性情緒同樣選擇性地影響空間工作記憶(歐陽崢崢，孫世月，李雪冰，羅躍嘉，2010)。此外，Wiens等(2012)和Bancroft，Hockley和Servos(2014)研究發現工作記憶的保持不僅依賴于前額皮質，還與知覺皮質有關，情緒可能與注意及知覺負荷存在競爭的作用。為進一步驗證負性情緒對空間工作記憶的這種選擇性影響，考慮不同知覺負荷、任務類型與情緒下工作記憶的認知神經機制，記錄F3、FZ、F4、FC3、FCZ、FC4、P3、PZ、P4、PO3、POZ、PO4十二個電極點的 ERP波形。結果發現，言語工作記憶的P3波幅顯著大于空間工作記憶的波幅；負性情緒條件下工作記憶的P3波幅顯著大于中性情緒條件下工作記憶的波幅；三個字母知覺負荷上F3、FZ、F4、FC3、FCZ、FC4、P3、PZ、P4、PO3、POZ、PO4的P3波幅均顯著大于一個字母知覺負荷上的波幅；情緒類型與電極點存在交互作用，情緒類型與知覺負荷存在交互作用，任務類型與知覺負荷存在交互作用，任務類型、電極點與知覺負荷存在交互作用。P3的幅度顯著受知覺負荷、任務類型與情緒的共同調控。如前所述，P3的幅度受誘發刺激的突出性(如刺激的情緒效價或情緒喚醒)的影響，反映情緒捕獲了注意資源(Keil，Bradley，Jungh?fer，Russmann，Lowenthal，& Lang，2007；趙侖，2010)。P3幅值作為信息加工容量的指標，反映了受注意和工作記憶聯合調控的事件或刺激活動(Albert，2001)。

關于上述負性情緒對空間工作記憶的選擇性影響機制方面，Lavric提出一個比較合理的解釋。Lavric 認為沖突可能是對某種認知資源的競爭。負性情緒占用了大量的注意資源，導致空間工作記憶功能受損。不過，這種負性情緒對空間工作記憶并不是簡單的選擇性影響，跟信息的加工通道有關。或許對于言語信息加工和空間信息加工，二者在所占用的認知資源的分配上會有所不同。它們不是單一的隨著知覺負荷的增加而占用的認知資源相應增加。

5結論

本研究通過實驗發現：

(1)情緒類型、任務類型和知覺負荷可能會影響工作記憶，但三因素在反應時和正確率上均不存在交互作用。

(2)P3的平均波幅在情緒類型、任務類型和知覺負荷上的主效應均顯著，即言語工作記憶的P3平均波幅顯著大于空間工作記憶的波幅；負性情緒條件下工作記憶的波幅顯著大于中性情緒條件下工作記憶的波幅；3個字母條件下工作記憶的波幅顯著大于1個字母條件下工作記憶的波幅；不同電極點工作記憶的P3平均波幅差異顯著。

(3)交互作用顯著，情緒類型與電極點，情緒類型與知覺負荷，任務類型與知覺負荷，任務類型、電極點與知覺負荷均存在交互作用。說明工作記憶受知覺負荷、情緒類型和任務類型的影響，這種作用彼此相互影響。

參考文獻

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An Effect of Perceived Load and Negative Emotion on Working Memory：An ERP Study

Tao Aihua1，2，Li Xing1，Pan Fada2

(1.Xinglin College，Nantong University，Nantong 226007；2.School of Education Science，Nantong University，Nantong 226019)

Abstract：The study combined the 0-back experimental paradigm to examine the effect of perceived load and negative emotion on working memory for 19 students from a university.The tasks of working memory were two kinds of verbal working memory and spatial working memory.The reaction time and accuracy were recorded in the experiment.The results showed that the main effect of emotion，task type and perceived load were significant in the reaction time and the correct rate.The interaction between the three factors in the reaction time and the correct rate was not independent.ERP results showed that the average amplitude of P3 was significant in emotional，task type and perceptual load.The interaction between emotional types and electrode points was significant，and the interaction of emotion types and perceptual load was significant，and the interaction of task type and perceptual load was significant，and the interaction of among task type，electric pole and perceptual load was significant.It is explained that the working memory is influenced by the perceptual load，the emotion type and the task type，and the effect of the working memory is affected by each other.

Key words：perceived load；negative emotion；working memory

*基金項目：江蘇省大學生創新訓練計劃項目(201413993004Y)，南通大學杏林學院大學生創新訓練項目(2014)。

通訊作者：陶愛華，E-mail：chinastone1126@ntu.edu.cn。

中圖分類號：B842.5

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5184(2016)03-0227-07