眼睛運(yùn)動(dòng)如何與記憶相關(guān)？|一只眼睛一眨眼就痛

　　摘要 很久以來(lái)，人們一直在致力于研究人的眼動(dòng)與心理活動(dòng)之間的關(guān)系，從而揭示其間的奧妙。眾多研究表明，睡眠時(shí)的快速眼動(dòng)（Rapid Eye Movements, REM）及其周期對(duì)記憶的形成與鞏固有重要作用。在清醒狀態(tài)下，人的眼動(dòng)就是為了獲得視覺信息，如果涉及記憶任務(wù)，這就是編碼階段的具體行動(dòng)。另外，問題解決過程也有眼動(dòng)參與�？傮w看來(lái)，眼動(dòng)和記憶之間是一種雙向的關(guān)系，適當(dāng)?shù)难蹌?dòng)訓(xùn)練或許能夠提高記憶成績(jī)。
　　關(guān)鍵詞 眼動(dòng)，記憶，快速眼動(dòng)睡眠，視覺搜索。
　　分類號(hào) B842
　　
　　
　　多數(shù)情況下，人們所說的眼動(dòng)是指為了獲得視覺信息的眼動(dòng)；而有些眼動(dòng)雖然不是為了獲得視覺信息，但仍然與人的心理活動(dòng)有關(guān)。例如，睡眠過程中的快速眼動(dòng)就與人的無(wú)意識(shí)信息加工相關(guān)。因此，文中所說的眼動(dòng)是廣泛意義上的眼動(dòng)，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(dòng)。
　　1 睡眠時(shí)的眼動(dòng)與記憶
　　早在200年前，David Hartley首次提出“做夢(mèng)可能會(huì)改變記憶的強(qiáng)度”的觀點(diǎn)。但究竟是做夢(mèng)還是睡眠對(duì)記憶過程產(chǎn)生影響呢？人們對(duì)這一問題仍然是莫衷一是[1]。當(dāng)然，睡眠要比夢(mèng)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(nèi)部的自發(fā)活動(dòng)可以通過身體的外部動(dòng)作表現(xiàn)出來(lái)，如眼睛的快速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)睡眠中出現(xiàn)快速眼動(dòng)時(shí)，這一階段的睡眠也被稱為快速眼動(dòng)睡眠（Rapid Eye Movement Sleep，REM Sleep）。人的快速眼動(dòng)睡眠隨年齡不同存在很大差異。成人一般每晚在1.5小時(shí)左右，新生兒每天達(dá)8小時(shí)，早產(chǎn)兒則會(huì)更多，這說明，胎兒在子宮內(nèi)存在著大量的REM睡眠[2]。從分子水平上來(lái)看，人在睡眠和清醒狀態(tài)下大腦的神經(jīng)化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，尤其是在REM睡眠狀態(tài)下，海馬中的膽堿能（cholinergic）會(huì)有所改變，大腦的這種神經(jīng)化學(xué)方面的變化可能提供了一種與海馬有關(guān)的記憶貯存機(jī)制，這種機(jī)制就是通過睡眠而產(chǎn)生的特定神經(jīng)細(xì)胞聯(lián)結(jié)通路[3]。動(dòng)物的REM睡眠與學(xué)習(xí)能力之間存在一定關(guān)系。雖然人的REM睡眠時(shí)間與學(xué)習(xí)成績(jī)也有一定關(guān)系，但人的REM睡眠與記憶形成之間的關(guān)系還需要進(jìn)一步研究[4]。
　　Smith發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)一段時(shí)間以后，REM對(duì)人和動(dòng)物的記憶效率都很重要[5]。缺少REM睡眠將嚴(yán)重影響人的認(rèn)知過程，而不會(huì)影響人們對(duì)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(xì)動(dòng)作會(huì)更準(zhǔn)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(fā)現(xiàn)，REM在程序性學(xué)習(xí)中起重要作用，但對(duì)描述性記憶則沒有什么作用。夢(mèng)境中，記憶可能被激活或重新組織，但究竟哪一個(gè)記憶系統(tǒng)在此過程中被激活還不很清楚。伴有REM的夢(mèng)境與新奇事件、熟悉的內(nèi)容以及情緒緊密相連[1]。因此，睡眠和夢(mèng)境在學(xué)習(xí)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(dòng)睡眠（即Non-REM睡眠或NREM睡眠）。睡眠可以提高人的學(xué)習(xí)和記憶，這是人們已有的共識(shí)。Benington等認(rèn)為，在這種觀點(diǎn)的背后暗含著這樣的假設(shè)，即睡眠加強(qiáng)了突觸間聯(lián)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(zhuǎn)換比單個(gè)的REM睡眠對(duì)記憶更加重要。對(duì)小白鼠而言，學(xué)習(xí)后的90分鐘內(nèi)的REM睡眠對(duì)記憶非常重要。但也可能由于任務(wù)類型、個(gè)體的緊張水平以及學(xué)習(xí)方式等都會(huì)影響學(xué)習(xí)與REM睡眠之間的時(shí)間間隔。對(duì)人的研究結(jié)果也表明，NREM?REM睡眠周期與詞表記憶之間呈正相關(guān)[8]。Krueger等發(fā)現(xiàn)，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(shí)，他們所報(bào)告的夢(mèng)的內(nèi)容所涉及的記憶類型并不相同，REM階段報(bào)告的內(nèi)容比NREM階段報(bào)告內(nèi)容涉及更多的語(yǔ)義知識(shí)；在REM后期比早期涉及更多的語(yǔ)義來(lái)源[10]。Atienza等通過比較清醒狀態(tài)和REM狀態(tài)下的腦電的失匹配負(fù)成分（mismatch negativity component，MMN）發(fā)現(xiàn)，在REM睡眠狀態(tài)下，感覺記憶痕跡至少可以持續(xù)3秒鐘[11]。Dotto等則發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)后的第一個(gè)晚上和第三晚的REM睡眠將影響對(duì)學(xué)過內(nèi)容的記憶，而學(xué)習(xí)后的第二晚的REM睡眠對(duì)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(huì)受REM睡眠的影響。對(duì)過程動(dòng)作的學(xué)習(xí)（包括許多運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目）成績(jī)受睡眠的第二階段（零點(diǎn)開始的幾個(gè)小時(shí)）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(jìn)行面孔內(nèi)隱記憶測(cè)驗(yàn)，結(jié)果表明，面孔內(nèi)隱記憶主要得益于與腦機(jī)制有關(guān)的REM睡眠[13]。
　　2 如何通過眼動(dòng)形成記憶
　　既然睡眠中伴隨的眼動(dòng)與人的記憶有關(guān)，那么，在覺醒狀態(tài)下的各種眼動(dòng)是否與記憶有關(guān)呢？這一問題的答案是肯定的。早在1878年Javal就試圖將眼動(dòng)作為心理活動(dòng)的指標(biāo)[14]。經(jīng)過100多年的研究，人們對(duì)眼睛運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)特性有了深刻認(rèn)識(shí)，尤其是近30多年來(lái)，眼動(dòng)記錄技術(shù)的發(fā)展為揭示眼動(dòng)在認(rèn)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(cè)向運(yùn)動(dòng)偏好反映了大腦兩半球信息加工的不對(duì)稱性，眼睛偏好向左運(yùn)動(dòng)的人的右半球加工占優(yōu)勢(shì)；相反，偏好向右運(yùn)動(dòng)的人的左半球加工占優(yōu)勢(shì)。而對(duì)位置的記憶不受這種半球加工優(yōu)勢(shì)影響[15]。但眼睛在進(jìn)行跳動(dòng)的時(shí)候，大腦會(huì)將以前記憶階段的眼睛運(yùn)動(dòng)情況也考慮進(jìn)去，作為參考，以形成新的眼跳計(jì)劃，這就是所謂的預(yù)覽效應(yīng)（preview effect）。它說明信息會(huì)在跨眼跳記憶（transsaccadic memory）中保存，并與下一個(gè)注視所獲得的信息進(jìn)行整合[16]。在眼睛向曾經(jīng)記憶過的目標(biāo)跳轉(zhuǎn)之后，接著還會(huì)有一個(gè)多余的跳動(dòng)。這個(gè)多余的跳動(dòng)是在沒有反饋的情況下使視線更加接近目標(biāo)。因此，額外的網(wǎng)膜信號(hào)在眼睛向記憶過的目標(biāo)移動(dòng)的過程中的作用是很小的[17]。Sheth等發(fā)現(xiàn)，在視覺記憶中，同樣會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤不取決于是否有眼動(dòng)存在，甚至與計(jì)劃也無(wú)關(guān)[18]，這說明，這種效應(yīng)是知覺性的，而不是感覺運(yùn)動(dòng)水平上的。進(jìn)一步研究表明，目標(biāo)呈現(xiàn)與對(duì)其位置判斷之間的時(shí)間間隔是產(chǎn)生上述現(xiàn)象的重要原因，兩者之間的時(shí)間間隔顯著增強(qiáng)了空間壓縮量的大小，進(jìn)而產(chǎn)生這種效應(yīng)。因此，視覺記憶中的位置錯(cuò)誤隨時(shí)間不同而成單調(diào)的系統(tǒng)變化。這取決于觀察者在目標(biāo)呈現(xiàn)時(shí)或之后很短時(shí)間內(nèi)對(duì)固定位置的持續(xù)的注視。Krappmann發(fā)現(xiàn)，眼睛跳向記住的目標(biāo)通常并不很準(zhǔn)確，經(jīng)常跳不到目標(biāo)所在的位置[19]。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于：（1）與記憶有關(guān)的過程，（2）在視網(wǎng)膜上將目標(biāo)的像轉(zhuǎn)換成與記憶有關(guān)的空間表征的過程中，空間分辨率比較低。記憶引導(dǎo)的眼跳誤差產(chǎn)生于感覺運(yùn)動(dòng)不能精確地協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換。Kori等發(fā)現(xiàn)，不能簡(jiǎn)單地將記憶引導(dǎo)的眼跳錯(cuò)誤歸結(jié)為記憶階段眼睛在水平方向上注視所產(chǎn)生的錯(cuò)誤，而是記憶階段的眼動(dòng)控制預(yù)測(cè)機(jī)制功能喪失所致[20]。例如，閱讀障礙者眼睛跳動(dòng)潛伏期比正常閱讀者長(zhǎng)，緩慢跳動(dòng)次數(shù)比正常閱讀者多，回掃次數(shù)也更多。因此，閱讀過程和眼睛跳動(dòng)系統(tǒng)都是由視覺?空間注意和眼睛的注視系統(tǒng)控制，而閱讀障礙患者的視覺-空間注意和眼睛的注視系統(tǒng)可能受到了損傷或發(fā)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(shí)時(shí)獲得的信息與工作記憶中的信息進(jìn)行比較，兩者匹配時(shí)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(biāo)相似，它就會(huì)被注視。一旦刺激被注視，那么，在之后的跳動(dòng)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(fā)現(xiàn)，被試經(jīng)常會(huì)再一次地注視曾經(jīng)被注視過的項(xiàng)目[22]。這種現(xiàn)象反映了記憶功能的有限性。人們?cè)陂喿x過程中，眼睛對(duì)文章內(nèi)容的注視時(shí)間取決于目標(biāo)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(guān)聯(lián)的，并使用熟悉的信息去推測(cè)新詞的意義[23]。當(dāng)眼睛朝向曾經(jīng)記憶過的目標(biāo)只需一次跳動(dòng)時(shí)，這是受意識(shí)控制的；而多次跳動(dòng)就未必受意識(shí)控制了[24]。短時(shí)記憶系統(tǒng)引導(dǎo)著注意焦點(diǎn)，它能夠有助于將視線重新迅速集中到剛剛注視過的目標(biāo)上[25]。從眼睛跳動(dòng)來(lái)看，工作記憶在人的優(yōu)勢(shì)行為反應(yīng)抑制方面起著決定性作用[26]。當(dāng)目標(biāo)附近存在一個(gè)分心刺激時(shí)，眼跳往往會(huì)落在目標(biāo)和分心刺激之間，這種效應(yīng)叫做整體效應(yīng)（global effect），它是空間加工過程中眼睛跳動(dòng)的主要特性。眼睛的這一跳動(dòng)被稱為主眼跳（primary saccade），Eggert等發(fā)現(xiàn)，主眼跳的位置取決于視覺系統(tǒng)獲得目標(biāo)信息的程度，該過程與用于空間知覺和對(duì)記憶誘導(dǎo)的眼跳進(jìn)行調(diào)整的過程有所不同[27]。
　　在很多活動(dòng)中，如閱讀，被加工的信息會(huì)在記憶中保持一段時(shí)間，這就使得來(lái)自眼睛的不連續(xù)的信息和連續(xù)運(yùn)動(dòng)的輸出信息之間可以進(jìn)行匹配，進(jìn)而使眼睛能夠完成一個(gè)以上的任務(wù)[28]。人們?cè)谟^看外界景物時(shí)，大腦必須對(duì)視網(wǎng)膜信息和眼睛運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換。理想狀態(tài)下，眼動(dòng)應(yīng)當(dāng)符合目標(biāo)的要求，但實(shí)際上，對(duì)記住目標(biāo)的眼動(dòng)會(huì)產(chǎn)生空間誤差，信息轉(zhuǎn)換并不是嚴(yán)格按統(tǒng)一的模式進(jìn)行的[29]。Christman等發(fā)現(xiàn)，在記憶測(cè)試之前，進(jìn)行30秒的水平眼跳運(yùn)動(dòng)，回憶在實(shí)驗(yàn)室中學(xué)習(xí)的材料以及日常生活中的事件[30]。結(jié)果表明，眼動(dòng)對(duì)內(nèi)隱記憶沒有影響，而雙眼運(yùn)動(dòng)則可以提高情景記憶成績(jī)，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(duì)記憶過目標(biāo)的跳動(dòng)模式與工作記憶損傷者的眼動(dòng)模式存在極高的相似性[31]。Marcel等進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，眼動(dòng)不僅影響記憶的生動(dòng)性和情緒色彩，同時(shí)，也會(huì)影響之后的回憶[32]。因此，位置記憶錯(cuò)誤是由于眼動(dòng)造成的[33]。在人的問題解決過程中，眼動(dòng)也是一個(gè)重要的信息來(lái)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(rèn)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(shí)的眼動(dòng)錯(cuò)誤更多，注視時(shí)間更長(zhǎng)。這說明，他們?cè)趩栴}解決過程中難以對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行編碼和保持，這一推論與前紋狀區(qū)（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(dòng)特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，前額功能缺失是產(chǎn)生上述差異的原因[36]。Epelboim等用眼動(dòng)幾何推理引擎（Oculomotor Geometry Reasoning Engine，OGRE）理論對(duì)解決幾何問題過程中的眼動(dòng)和視覺工作記憶進(jìn)行了估計(jì)[37]。通過眼動(dòng)參數(shù)估計(jì)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(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在反射性眼跳的抑制和產(chǎn)生有意眼動(dòng)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(lái)，眼動(dòng)也會(huì)對(duì)工作記憶中的注意成份產(chǎn)生干擾[39]。
　　2.3 眼動(dòng)模式的任務(wù)依賴性
　　當(dāng)人們只是看一個(gè)圖畫時(shí)的眼動(dòng)和邊看邊打節(jié)拍時(shí)的眼動(dòng)模式是不同的；人們看圖和閱讀時(shí)的眼動(dòng)模式也存在很大差異。例如，就注視時(shí)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(dòng)）是一個(gè)獨(dú)立的過程，當(dāng)記憶負(fù)荷過重時(shí)，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(shí)刻的任務(wù)特性。注視時(shí)間的增加反映了對(duì)呈現(xiàn)刺激進(jìn)行加工的結(jié)果[40]。盡管被試常常能夠回憶出未被注視的目標(biāo)，但眼睛的跳動(dòng)對(duì)確保好的回憶成績(jī)?nèi)匀环浅Ｖ匾�。�?dāng)呈現(xiàn)時(shí)間增加時(shí)，眼睛跳動(dòng)之間的間隔時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)。整體掃描策略受到呈現(xiàn)時(shí)間的影響。距離權(quán)重選擇模型（Random Selection with Distance Weighting，RSDW）模型認(rèn)為，每一個(gè)眼跳的目標(biāo)都是以距注視點(diǎn)的距離為權(quán)重，從所有可能性中隨機(jī)選擇的，而與該部分是否曾被注視過無(wú)關(guān)。視覺記憶的回憶成績(jī)并沒有反映出被試在記憶過程中對(duì)眼睛往哪里看作出即時(shí)決定。盡管視覺記憶成績(jī)很好，但并不能總是從眼動(dòng)測(cè)量中反映出來(lái)，這也許是因?yàn)榭焖俚脑诰�（on-line）記憶提取需要巨大的資源[41]。眼動(dòng)似乎可以開啟神經(jīng)系統(tǒng)并使大腦對(duì)學(xué)習(xí)過的內(nèi)容（經(jīng)驗(yàn)）進(jìn)行加工，這些過程可能發(fā)生在快速眼動(dòng)期或有夢(mèng)睡眠中，眼動(dòng)似乎也參與對(duì)無(wú)意識(shí)材料的加工[42]。
　　通過眼動(dòng)所保持的視覺信息是抽象的，而不是一一對(duì)應(yīng)的具體信息。眼睛跳動(dòng)之間所保持的記憶就是視覺短時(shí)記憶[43]。Althoff等發(fā)現(xiàn)，名人和普通人的面孔所引發(fā)的眼動(dòng)模式是不同的[44]，這說明確實(shí)存在著以眼動(dòng)為基礎(chǔ)的記憶效應(yīng)。這種效應(yīng)反映在前5個(gè)注視點(diǎn)在名人面孔中的分布位置，即觀察者對(duì)名人面孔不同部位的取樣行為變化。也可以將眼動(dòng)基礎(chǔ)上的記憶效應(yīng)看成是對(duì)新刺激和重復(fù)呈現(xiàn)刺激加工的差異，就像重復(fù)啟動(dòng)引發(fā)的效應(yīng)一樣。因此，眼動(dòng)基礎(chǔ)上的記憶效應(yīng)是視覺模式分析器和大腦中信息加工機(jī)制共同參與的必然結(jié)果。
　　3 小結(jié)
　　作為獲得視覺信息的重要途徑，眼動(dòng)一直被人們重視。研究者提出了各種模型去解釋眼動(dòng)在這一過程中的活動(dòng)特點(diǎn)，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(dòng)與記憶之間的關(guān)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(guān)系）。實(shí)際上，利用眼動(dòng)訓(xùn)練提高閱讀效率就是通過優(yōu)化眼動(dòng)增強(qiáng)工作記憶的過程。隨著眼動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的限制正在減弱，這必將增加拓展眼動(dòng)研究領(lǐng)域的可能性。從方法上講，將來(lái)的眼動(dòng)研究可以結(jié)合腦成像（fMRI）、腦電（ERP）以及透顱磁刺激（TMS）等其他先進(jìn)的技術(shù)，從整體上探討眼動(dòng)在記憶中的作用；同時(shí)，尋找更有效的統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)眼動(dòng)數(shù)據(jù)的進(jìn)行分析，以獲得對(duì)眼動(dòng)的更深刻的認(rèn)識(shí)。從研究取向上講，眼動(dòng)作為一種比較容易觀測(cè)的外顯行為，具有一定的可塑性，除了繼續(xù)深入研究與記憶相關(guān)的眼動(dòng)特點(diǎn)外，還可以反過來(lái)，對(duì)如何通過訓(xùn)練，改變眼動(dòng)模式，以提高記憶效果或?qū)W習(xí)效率等方面進(jìn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“首都師范大學(xué)――學(xué)習(xí)與認(rèn)知實(shí)驗(yàn)室”和北京市重點(diǎn)學(xué)科“首都師范大學(xué)――發(fā)展與教育心理學(xué)”資助。
　　通訊作者：丁錦紅，E-mail: ding.省略

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