動作電子游戲玩家工作記憶優勢的跨系統一致性：一項近紅外研究 *

郭文欣 張 微 李雨茜

(1 華中師范大學心理學院暨青少年網絡心理與行為教育部重點實驗室，武漢 430079)(2 武漢市洪山區第三小學，武漢 430072)

1 引言

動作電子游戲(action video game, AVG)因能滿足受眾的精神娛樂需求，獲得了人們的喜愛。截至2022 上半年，全球AVG 玩家的游戲時長較去年增加了14%，中國玩家以每周超過12 小時的游戲時長位居第一(Limelight Networks, 2021)。AVG 的流行率引起了人們的憂慮，曾被視為“電子海洛因”。人們認為AVG 會導致物質成癮，對人的身心健康、學業成績等方面造成危害(van Rooij et al.,2014)。然而近些年來這一觀點有所轉變，AVG 以其畫面復雜多樣、節奏快等特點，對玩家的記憶力、注意力、感知能力等具有較好的訓練效果(Green & Bavelier, 2012)，越來越多的研究者開始關注AVG 的積極方面。

Kowal 等人(2018)利用相關任務測試玩家的認知功能，發現其在處理速度、任務轉換等方面顯著優于非玩家。Sungur 和Boduroglu(2012)也發現玩家具有更大的注意廣度和更高的空間表征分辨率。AVG 不僅能顯著提高個體的整體認知能力，對于工作記憶、注意力、處理速度等特定認知功能也有不同幅度的提升作用(Wang et al., 2016)，訓練效果甚至比其他專門的認知訓練游戲更好(Perrot et al., 2019)。前人研究已經證明AVG 可能與認知功能相關腦區的可塑性具有明顯關聯，尤其是對工作記憶相關腦區存在積極影響(Nikolaidis et al.,2014)。因為AVG 對個體資源分配能力、決策能力的高要求，AVG 玩家可能有較高的工作記憶能力(Spence & Feng, 2010)。

工作記憶指短時間內維護和操縱信息的容量有限的存儲系統(Baddeley, 2002)，是AVG 研究領域關注的焦點。Cardoso-Leite 等人(2016) 與Colzato 等人(2013)都在工作記憶任務中發現玩家的正確率更高、反應時更短。AVG 的效果具有普適性，即能遷移到其他復雜的操作任務中，而工作記憶幾乎可以運用于任何復雜的認知任務(Oei &Patterson, 2013)，因此無論任務復雜程度如何，這種遷移都主要依賴于工作記憶的參與，說明玩家的工作記憶在AVG 中得到了最廣泛的鍛煉(Spence &Feng, 2010)。

工作記憶主要包括言語工作記憶和視覺空間工作記憶兩大系統。根據Baddeley 和Hitch(1974)的工作記憶模型，這兩個子系統分別負責不同性質材料的記憶任務，且彼此間相互獨立。AVG 玩家的工作記憶優勢在兩個子系統上的表現值得探討。AVG 要求玩家注意屏幕上同時出現的多個刺激并給予操作反應，刺激以視覺輸入為主，該特點增強了以空間注意力為首的一系列視覺技能，而空間注意力又與視覺工作記憶顯著相關(Awh et al., 2006)，因而AVG 對玩家的視覺工作記憶能力有更高的要求(Green & Bavelier, 2003)。以往研究也多強調AVG 對空間認知能力的改善作用(Hubert-Wallander et al., 2011; Spence & Feng, 2010)，認為對言語認知的影響較小(Bediou et al., 2018; Sala et al., 2018)。

然而，也有研究者指出，AVG 訓練并不局限于訓練本身，其真正的作用是增強個體學習新任務的能力(Bavelier et al., 2012; Green & Bavelier,2012)，加快對新任務的學習速度，借此廣泛提高在認知領域的任務表現(Zhang et al., 2021)，據此，合理推測玩家的兩種工作記憶子系統都能得到提高。例如在言語工作記憶方面，有研究發現閱讀障礙兒童在接受AVG 訓練12 小時后閱讀能力明顯提高(Franceschini et al., 2017)。目前雖然已有研究認為玩家的言語工作記憶和視覺工作記憶都較非玩家更好，但由于實驗材料選擇不同導致結果存在部分差異，兩種子系統的優勢是否一致尚不明確，且目前鮮有研究同時對玩家的言語工作記憶和視覺空間工作記憶優勢進行對比探查。基于此，本研究將同時呈現空間材料和言語材料，只通過改變指導語來考察被試的兩種工作記憶。

目前，多數研究關注AVG 玩家的工作記憶優勢，而沒有進一步明確優勢體現在哪個工作記憶子領域，其生理基礎也不甚明確，玩家的工作記憶優勢值得進一步探索。AVG 經驗與負責工作記憶的中央執行網絡的功能整合有關(Gong et al.,2016)，說明玩家負責工作記憶的腦區的生理機制可能與非玩家有所不同，因此有必要采用認知神經科學技術對AVG 玩家的相關生理機制進行深入探查。功能性近紅外光學成像技術(functional nearinfrared spectroscopy, fNIRS)可通過近紅外光測量在皮層表面發生的血流動力學反應(Villringer &Chance, 1997)，相比于其他腦科學儀器，它具有成本低、非侵入性、便捷安全等優點，適用于對工作記憶生理機制的探查。前額葉是與工作記憶相關的重要腦區(Tanida et al., 2012)，fNIRS 已成功應用于監控任務期間前額葉活動的變化(Sato et al.,2013)，且根據以往研究發現記憶負荷也會對被試的腦激活和任務表現造成影響(Lucas et al., 2020;Molteni et al., 2008)。因此，本研究將利用fNIRS 測量被試在執行工作記憶任務期間的神經激活情況，使用n-back 范式，設計0、2 兩個負荷水平，采用空間和言語材料，深層次地探討AVG 玩家的工作記憶優勢及其腦基礎。

2 研究方法

2.1 被試

在武漢市某高校通過發放問卷的方式招募297 人填寫游戲經歷問卷、游戲成癮問卷、抑郁自評量表、焦慮自評量表，以排除游戲成癮或有抑郁、焦慮問題的個體。經篩查后共有49 人參與實驗。剔除正確率低于平均值三個標準差的無效數據后，獲得有效被試47 名。根據被試填寫的游戲經歷問卷，參考Richlan 等人(2018) 的定義：AVG 玩家定義為在過去半年內，每周玩動作類電子游戲至少5 小時；非AVG 玩家在過去半年內完全不玩或幾乎不玩動作類電子游戲。篩得玩家25 名，非玩家22 名。被試平均年齡21.66±2.26歲，組間年齡差異不顯著[t(45)=1.24,p=0.22]。兩組被試視力或矯正視力正常，右利手，無色弱色盲及精神疾病史。被試均簽署了知情同意書，在實驗完成后得到被試費。

2.2 實驗設計

采用2(組別：玩家、非玩家)×2(材料類型：空間、言語)×2(負荷水平：0、2)混合實驗設計，其中被試組別為組間變量，材料類型和負荷水平為組內變量。行為學的因變量是反應時、正確率和效率，其中，效率=(正確率/反應時)×1000。考慮到追求更高的正確率的個體需要更長的反應時間，因此可能在速度和正確率之間進行權衡(Meule,2017)，本研究增加了效率作為反應時和正確率的綜合指標，更為全面地考察被試的任務表現(Chen &Li, 2022; Pelegrina et al., 2015)。該指標已在大量nback 任務相關的研究中得到廣泛運用(楊靜 等,2021; Lin et al., 2020; Ruocco & Wonders, 2013;Schecklmann et al., 2013; Taurisano et al., 2016)。因為氧合血紅蛋白(oxygenated hemoglobin, HbO)對刺激的變化更加敏感、具有更高的信噪比(Cui et al.,2011)，所以將HbO 作為近紅外中的因變量指標，用β 值表示。

2.3 實驗刺激

實驗刺激通過E-Prime 2.0 編寫，在臺式電腦上呈現(分辨率1920×1080 像素，刷新頻率為60 Hz)。刺激材料呈現背景為黑色，屏幕中心呈現白色注視點或刺激。實驗刺激材料是5 個英文字母的大寫和小寫形式，避免了形態相似的字母同時入選(陳一凡, 2018)，也盡量減少被試在字母匹配中依據字母的構型特征做出判斷。實驗刺激呈現在屏幕上10 個可能的位置之一，因為位置存在語言習慣編碼（例如8 個或12 個位置），10 個位置減少了語言編碼的影響。被試距離屏幕約60 cm。

2.4 實驗程序

實驗開始前，首先告知被試近紅外對于人體無任何負面作用，佩戴近紅外帽并檢測信號質量達標后開始實驗。

實驗采用經典的n-back 任務，要求被試判斷當前出現的刺激是否與刺激系列中當前刺激之前的倒數n 個項目匹配，當n=0 時，要求被試比較當前刺激和第一個刺激是否一致；當n=2 時，要求被試比較當前刺激和它倒數第二個刺激是否一致。相同則按鍵“Q”，不同則按鍵“P”。在每個試次中，屏幕上同時呈現注視點“+”和刺激材料300 ms，隨后刺激消失，僅保留注視點，當被試做出反應或達到3000 ms 最大呈現時間后，進行下一試次。實驗任務分為空間匹配任務和言語匹配任務。空間任務時，被試需要對字母位置作比較，而不用管兩者是否為同一個字母；言語任務時，被試需要對字母本身進行比較，而不用管兩者呈現位置如何，被試被告知不要區分同一字母的大寫和小寫形式，這樣是為了鼓勵被試將字母刺激編碼為口頭音素，而不是視覺字母形式(圖1A 以2-back 為例)。

圖1 實驗流程圖

實驗分為空間0-back、空間2-back、言語0-back 和言語2-back 四種條件。練習階段每個條件練習一次，正確率均需達到80%才能開始正式實驗。正式實驗共8 個組塊，每種條件包含2 個組塊。順序如圖1B 所示。刺激隨機呈現，匹配刺激和不匹配刺激呈現數目的比例為1∶2。

2.5 實驗儀器及通道布置

近紅外儀器為深圳瀚翔生物醫療電子股份有限公司代理的美國NIRX 廠家生產的NIRSout 連續波臺式近紅外腦功能成像系統(NIRx Medical Technologies, USA)，根據修正的Beer-Lambert 定律得到HbO 相對濃度變化，單位為mmol。該成像系統以7.81 Hz 的采樣率測量了近紅外光在兩個波長(785 nm 和830 nm)的吸收。

采用廠家自帶的前額葉模板，包括8 個光源和7 個探測器，形成20 個通道。具體的通道布局如圖2 所示。光源和探測器距離為3 cm。探頭的布置參考10-20 腦電系統，將帽子中線與CZ-OZ 線重合，并使用3D 定位儀通過概率配準的方法把每一個fNIRS 通道的位置與MNI 空間坐標進行配準，確定每個通道的位置，獲得與布魯德曼分區的對應關系。

圖2 fNIRS 通道布局圖

2.6 數據處理

行為實驗數據使用SPSS22.0 對正確率和反應時進行方差分析。近紅外數據首先使用nirsLAB v201904(NIRx Medical Technologies LLC)進行預處理，僅保留正式實驗開始前10 s 和實驗結束后10 s之間的數據，消除不連續性和尖峰，所有通道均經過0.01～0.20 Hz 的帶通濾波去除基線漂移和生理噪聲，基于修正的Beer-Lambert 定律計算HbO的變化。針對每個通道的分析，首先從被試內SPM(statistical parametric mapping) 中提取代表HbO 水平的β 值。使用SPSS22.0 對導出的HbO 的β 值進行方差分析。

3 結果

3.1 行為結果

描述統計結果如表1 所示。

表1 兩組被試不同任務的反應時和正確率(M±SD)

圖3 行為結果圖

在正確率上，負荷水平主效應顯著[F(1, 45)=0-back 的正確率顯著高于2-back，說明實驗設計成功。組別主效應[F(1, 45)=0.06,p=0.81]、組別與材料類型交互作用[F(1, 45)=1.99,p=0.17]、組別與負荷交互作用[F(1, 45)=0.11,p=0.74]及三項交互作用[F(1, 45)=0.81,p=0.37]均不顯著。

在效率上，組別主效應顯著[F(1, 45)=5.36,玩家的效率顯著高于非玩家(見圖3C)。材料類型主效應顯著[F(1, 45)=45.12,空間任務的效率顯著高于言語任務；負荷水平主效應顯著[F(1, 45)=240.58,0-back 的效率顯著高于2-back，說明實驗設計成功。組別與材料類型交互作用[F(1, 45)=2.11,p=0.15]、組別與負荷交互作用[F(1,45)=0.78,p=0.38] 及三項交互作用均不顯著[F(1,45)=0.04,p=0.85]。

3.2 近紅外結果

3.2.1 空間工作記憶

在通道4 發現組別主效應顯著[F(1, 45)=4.07,玩家的激活顯著小于非玩家(見圖4)。在通道5 發現負荷主效應顯著[F(1, 45)=5.10,被試在2-back 條件下的激活顯著大于0-back 條件下的激活。其他通道各主效應及各項交互作用均不顯著。

圖4 空間工作記憶任務近紅外結果

3.2.2 言語工作記憶

首先，在通道4 發現組別主效應顯著[F(1,玩家的激活顯著小于非玩家(見圖5)；負荷主效應邊緣顯著[F(1, 45)=3.38,被試在2-back 條件下的激活大于0-back 條件下的激活。其次，在通道10 發現組別和負荷的交互效應邊緣顯著[F(1, 45)=3.29,p=(見圖6)，簡單效應分析顯示，非玩家在2-back 條件下的激活顯著大于0-back 條件玩家在兩負荷下的激活不存在顯著差異[F(1, 45)=0.26,p=0.62]。最后，在通道和通道發現負荷主效應顯著，被試在2-back 條件下的激活顯著大于0-back 條件下的激活。其他通道各主效應及各項交互作用均不顯著。

圖5 言語工作記憶任務近紅外結果的組別主效應

圖6 言語工作記憶任務近紅外結果的交互效應

4 討論

實驗通過空間與言語工作記憶任務結合近紅外探討AVG 玩家的工作記憶特征。行為結果表明，不論是空間還是言語工作記憶任務，在正確率無顯著差異的情況下，玩家的反應時均顯著快于非玩家，效率均顯著高于非玩家，且無組別與工作記憶類型的交互作用，也無三項交互作用，與前人研究一致，說明了玩家在兩種工作記憶子系統上的能力都優于非玩家(Waris et al., 2019)。Dye 等人(2009)的元分析顯示，玩家的平均反應時比非玩家快12%，且不會產生更多的錯誤反應，這說明玩電子游戲可以縮短玩家的反應時間，但又不會影響準確性(Bialystok, 2006; Castel et al., 2005)。對于此種優勢有許多不同的解釋。首先，AVG 需要玩家在對快速移動的視覺刺激進行監控和反應的同時抑制錯誤反應，這使得玩家能更迅捷地操作鍵盤，從而表現出更短的反應時(Kowal et al.,2018)。其次，AVG 也對玩家的視覺注意力提出了較高的要求，主要表現在能夠提高玩家的編碼速度上，玩家能更有效地利用有限的工作記憶容量(Wilms et al., 2013)。另外也有研究者認為玩家的工作記憶優勢可能與其對視覺刺激更高的敏感性有關，他們更善于從感官刺激中提取有效信息，更快地做出決策(Appelbaum et al., 2013)。總而言之，玩家的工作記憶存在優勢，且該優勢具有跨系統一致性。

本研究進一步發現，在2-back 條件下，玩家與非玩家的反應時差異相比于0-back 條件更為顯著。McDermott 等人(2014)與Irak 等人(2020)開展了負荷水平影響玩家的工作記憶的研究，不約而同地發現當負荷水平增加時，玩家的任務表現比非玩家更好，與本研究的結果一致。這可能因為玩家在游戲中常年面對復雜的視覺環境，AVG 的特點對各種認知功能提出了較高的要求(Bavelier et al., 2012)，玩家習慣于在認知負荷高的情況下快速處理感官信息并迅速采取行動，因而在負荷更高的2-back 條件下表現出更大的優勢。另一方面可能是因為0-back 條件下的任務沒有涉及記憶的更新，當n=0 時，被試僅需牢記一個項目，再將當前的每一個刺激與第一個刺激進行對比，不存在記憶的更新；而當n=2 時，被試需要始終在大腦中保持當前項目和前兩個項目，隨著新刺激的連續出現，大腦中保持的項目需要不斷進行更新。0-back 和2-back 條件的認知負載和對信息處理的執行控制要求不同(Colzato et al., 2013)。研究發現nback 任務在測量工作記憶的更新功能上具有較高的效度(Kane et al., 2007)，2-back 條件下的任務主要需要更新能力的參與，因而玩家在高負荷條件下表現更好，說明其具有更強的記憶更新能力。在游戲中，玩家經常需要面對一連串的復雜刺激并快速做出反應，例如射擊敵人之后要馬上尋找隊友的位置，因此要求玩家能夠從工作記憶中排除舊的、不重要的信息，保留更多的工作記憶容量更新相關刺激(Colzato et al., 2013)。長期的AVG 經歷可能主要增強了玩家信息靈活更新的能力，因而在高負荷要求的2-back 條件下玩家的優勢表現得更明顯。

近紅外結果表明，無論在空間還是言語工作記憶任務中，玩家在通道4 的大腦激活顯著低于非玩家。大腦激活低反映較少的認知努力(龔輝 等,2007; Braver et al., 1997; Izzetoglu et al., 2003; Jonides et al., 1997)，說明本研究中玩家僅需較少的認知努力就可以達到與非玩家相同的水平。通道4 對應眶額區，Petrides(2007)發現接觸和編碼新信息會導致眶額區的活動增加，證明了該區在工作記憶中監控和提取信息的重要性。Barbey 等人(2011)觀察到眶額病變的患者在n-back 任務中表現較差，認為眶額可能是執行功能的基礎，負責維護、操作和監控工作記憶中的信息。眶額尤其在需要整合兩個及以上的認知操作的活動中發揮作用，例如nback 任務。結合本研究在兩種工作記憶任務中發現玩家在眶額區的低激活，與行為結果一致說明玩家具有工作記憶優勢的跨系統一致性。

此外，在言語工作記憶任務中，在通道10 發現，隨著認知負荷的提高，非玩家大腦激活顯著增加，而玩家的大腦激活并未隨著負荷水平的提高而顯著增加，且從腦區激活圖可以看出，非玩家在兩負荷條件下的激活差異大于玩家，說明玩家能夠更好地應對高負荷條件。國內外的研究者采用不同的方法發現了與本研究類似的結論：李嘉瑩(2015)利用ERP 技術發現玩家的腦激活在視覺工作記憶任務中不隨記憶負荷的增加而發生顯著的改變。Moisala 等人(2017)則利用功能性磁共振成像技術發現玩家的游戲分數越高，負荷水平增加對任務表現的影響越小。且隨著負荷水平的提高，游戲經驗與背外側前額葉的激活顯著相關。Blacke 和Curby(2013)則發現玩家的工作記憶容量更大，其更新能力不受任務難度的限制(Ecker et al., 2010; Redick et al., 2011)。朱一可(2021)通過fNIRS 發現在n-back 任務較高負荷條件中，多動癥兒童在部分腦區表現出顯著高激活，說明其存在工作記憶更新功能缺陷。而在本研究中，在高負荷條件下玩家在某些腦區激活小于正常組，說明玩家在該腦區存在更新優勢。本研究激活腦區的主要功能可能是應對高負荷條件，反映執行功能。Collette 和van der Linden(2002)指出不同的執行過程都可能激活背外側前額葉，該區在執行功能中具有普遍作用，且更新主要需要中央執行系統的參與(Morris & Jones, 1990)，Braver 等人(1997)則認為在某些任務中對加工資源的需求增加可能導致其他腦區的激活。所以本研究發現的右背外側前額葉的激活可能反應執行功能的普遍作用。本研究中2-back 條件對加工資源要求更多，因而可能發現右背外側前額葉的激活。另外，雖然本研究未在空間工作記憶任務中發現組別與負荷的交互作用，但是并沒有強有力的證據說明負荷對空間工作記憶沒有影響，這可能是負荷水平在難度上的區分還不夠大，導致腦激活的差異不夠大。通過行為學結果可以發現空間任務的難度對于被試而言是低于言語任務的，所以在空間任務上應對高負荷的能力沒能表現出來。

本實驗也存在一些局限，即近紅外的部分結果是邊緣顯著，這可能是因為未對游戲類型進行更細致的區分，或是任務難度的區別還不夠大。但本研究仍可以作為一種啟示性的方向參考，在今后的研究中可以采用有關動作游戲訓練的縱向研究來探討AVG 和玩家工作記憶之間可能存在的因果關系，對AVG 玩家的工作記憶進行更全面的探討。

5 結論

動作電子游戲玩家存在工作記憶優勢，該優勢在空間工作記憶和言語工作記憶中具有跨系統一致性。動作電子游戲玩家的工作記憶優勢具體表現為能更好地應對高負荷條件，背外側前額葉可能是玩家應對高負荷條件的優勢腦區。