在视觉工作记忆中,绑定特征或独立特征的保持取决于具体任务

时间:2026年2月15日
来源:Cortex

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视觉工作记忆中特征结合的存储模式受任务需求动态调节。通过三组ERP实验比较不同任务条件下特征绑定维持的神经机制,发现中央-顶叶区域对非任务相关特征绑定的ERP幅值变化,证实工作记忆存储格式随任务目标灵活调整。

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曹若一|约尼·佩尔佐夫|高在峰|莱昂·Y·德乌埃尔
埃德蒙和莉莉·萨夫拉脑科学中心,苏珊娜和查尔斯·古德曼脑科学大楼1层1101室,耶路撒冷希伯来大学埃德蒙·J·萨夫拉校区,9190401,以色列

摘要

关于物体的特征是在视觉工作记忆中单独存储还是结合存储,存在不同的研究结果。这一争议基于一个隐含的假设,即工作记忆的存储模式是固定的或默认的。我们研究了预期的任务是否决定了信息在工作记忆中的存储格式,从而与其任务导向的功能保持一致。为了验证这一灵活的存储假设,我们在参与者执行不同要求和负载的变化检测任务时记录了脑电图(EEG)。在三个实验中,我们比较了在需要和不需要保持特征关联的情况下的事件相关电位(ERPs),同时控制了视觉刺激的差异。在实验1(N=24)中,涉及颜色-位置关联,我们发现当任务不需要关联时,中央-顶叶通道会出现一个正电位偏移。这一模式在实验2(N=23)中得到了独立组参与者的验证,他们使用了类似的范式,并且也控制了探针的物理外观。最后,实验1和2中观察到的颜色和位置关联的现象被扩展到了实验3(N=22)中的颜色和方向关联。总体而言,这三个实验提供了可靠的证据,表明在工作记忆中保持特征关联(无论是空间上的(位置)还是非空间上的(非位置)取决于任务目标。

引言

视觉输入由各种视觉特征组成,如颜色、位置、形状、方向和运动。为了有效地与世界互动,我们不仅需要正确地将不同的特征整合到一个物体中,还需要建立一个在视觉刺激消失后仍然可访问的物体内部表示,这一过程归因于视觉工作记忆(VWM)。特征是在结合的格式中存储还是在工作记忆中单独存储的问题,在心理学和神经科学中引起了广泛关注(Schneegans & Bays, 2019; Thayer, Bahle, & Hollingworth, 2022; Treccani, 2018; Treisman, 1998; Treisman & Gelade, 1980)。
研究这一问题的一个典型(尽管是间接的)方法是将变化检测任务的表现与需要记忆的物体数量和/或特征数量相关联。如果特征在工作记忆中是单独存储的,那么表现应该受到特征数量的限制,而不是需要记忆的物体数量。相反,如果物体是结合存储的,那么表现应该受到物体数量的限制,而与特征数量无关。基于这种推理,Luck和Vogel(1997)提出特征在VWM中是作为项目结合存储的,因为他们观察到增加物体内的特征数量并不会损害变化检测任务的表现。尽管他们的发现难以复制(Olson & Jiang, 2002; Wheeler & Treisman, 2002; Cao & Deouell, 2023),但基于物体的编码的核心观点得到了实证支持。Gao等人(2016)证明,记忆物体的任务无关特征会在视觉搜索过程中自动引导注意力,表明VWM会编码未选中的特征以及选中的特征。同样,Balta等人(2023)展示了“物体优势”,即当特征属于同一个物体时,记忆更加准确,而不是分布在不同的物体上。关键的综述(Gu et al., 2022; Gao & Shen, 2024)通过层次结合框架进一步证实了工作记忆中的基于物体的编码。神经生理学的研究结果也支持这一观点——Luria和Vogel(2011)发现,当参与者保持单特征与多特征物体时,延迟期的EEG活动没有差异,表明记忆负荷的神经标志反映了存储的物体数量,而不是特征数量。
然而,其他研究得出了不同的结论。例如,Wheeler和Treisman(2002)观察到,来自不同维度的特征可以并行存储而不影响工作记忆的表现,但添加同一特征维度的特征会限制记忆表现。他们提出了“多资源”观点,认为VWM并行维护来自不同特征维度的特征,而同一特征维度的特征会竞争存储空间。后来的研究使用类似(Delvenne & Bruyer, 2004)或不同的范式(Wang et al., 2017; Xu, 2002)也支持了这一观点。例如,Wang等人(2017)发现,对于具有颜色和方向的物体,随着需要记忆的颜色数量增加,颜色的记忆表现下降,但方向的记忆没有受到影响,反之亦然。此外,同一组研究还表明,VWM中的物体优势实际上可能反映了空间位置,而不是真正的基于物体的表示(Wang et al., 2016)。另一种模型提出,VWM的表现受到物体数量和特征数量的限制。Olson和Jiang(2002)发现,在物体数量保持不变的情况下,单特征条件下的表现优于多特征条件,表明存储两个特征比存储一个特征更困难。相反,当特征数量保持不变时,将特征结合成物体后的表现更好。在最近的一项研究中,Ngiam等人(2024)使用了整体报告任务,参与者需要报告六个项目阵列中的每个项目的两个特征。他们的计算模型显示,对于单特征和多特征物体(颜色/方向或颜色/形状),超出机会的回忆仅限于前3-4个响应,后续的响应反映了随机猜测,这支持了视觉工作记忆容量的基于物体的限制,而不是基于特征的限制。然而,他们还发现特征可以独立于物体丢失。特征数量和项目数量的重要性激发了工作记忆的“弱物体”观点(Alvarez & Cavanagh, 2004; Hardman & Cowan, 2015)。
关于特征单独存储与结合存储的争论假设了一个固定的VWM存储模式。然而,这一假设忽略了WM根据任务优先处理信息的灵活性(Freedman et al., 2001; Duncan, 2001; McCants et al., 2019)。VWM作为过去情境和未来行动之间的桥梁,因此是依赖于情境的(Myers, Stokes, & Nobre, 2017)。例如,Cohen-Dallal等人(2023)表明,当在一个试验块中混合了两种不同的任务时,记忆精度会根据更频繁的任务进行调整。多项使用脑信号的研究也支持任务需求对维持哪些信息的影响。
在非人类灵长类动物中,尽管刺激相同,但在预期不同的记忆探针时,前额叶的延迟活动模式会有所不同(Rao, Rainer, & Miller, 1997)。在人类中,记住面孔与场景或面孔与位置会选择性激活特定的大脑区域(Courtney, Ungerleider, Keil, & Haxby, 1996; Smith et al., 1995; Nobre, 2007)。Ester, Serences, & Awh(2009)发现大脑对侧和同侧区域都有类似的BOLD信号解码,表明全局感觉皮层参与处理视觉细节。然而,Pratte和Tong(2014)发现当位置与任务相关时,对侧的解码更强,突出了任务对工作记忆维持的重要性。同样,Postle及其同事(Yu et al., 2020, Teng & Postle, 2024)的一系列近期fMRI研究发现,在需要记住方向或位置的任务中,早期视觉皮层表示了方向和位置,而在它们仅作为背景时则没有。有趣的是,顶叶内部皮层显示出情境和记忆内容的混合表示。Wheeler和Treisman(2002)提供了行为证据,表明结合的脆弱性会随着任务需求的变化而变化,特别是在分心状态下检索时,尽管神经维持格式本身是否灵活适应任务需求的问题尚未得到探索。综合来看,证据表明维持关于特征或位置的具体信息取决于任务需求。
任务的强烈影响表明,保持单个特征与结合物体也可能具有灵活性,并且依赖于任务,这可以解释一些矛盾的行为结果。为了验证这一灵活的存储假设,我们在参与者执行变化检测任务时获得了EEG记录,这些任务有时需要保持特征之间的关联,有时不需要。如果系统有一个固定的模式来存储视觉刺激,无论任务需求如何,在延迟期间我们预期这两种条件之间没有系统性的差异,因为需要维持的视觉输入是相同的。相反,如果VWM中维持的信息适应于任务目标,我们预期会发现这样的差异。我们使用了类似的范式进行了三个实验,参与者观察了一个物体阵列。在延迟之后,他们必须决定一个探针是否与阵列中的某个物体相似。我们在需要和不需要保持两个特征之间关联的情况下比较了EEG模式。在实验1中,我们研究了在编码和延迟期间,保持颜色和位置关联的任务要求对EEG信号的影响,尽管视觉输入是相同的。在实验2中,我们复制了实验1的发现,同时控制了探针的物理外观。在实验3中,我们将这个实验扩展到了颜色和方向之间的关联。

实验片段

参与者

来自耶路撒冷希伯来大学的35名健康志愿者参与了这项研究。参与者获得了报酬(40NIS/小时,约12美元)或课程学分。所有参与者据报告都有正常或矫正到正常的视力,没有精神或神经系统疾病的历史。有一名受试者没有完成实验,另有九名受试者因记录质量差而被排除在分析之外。剩余的24名参与者

实验2

上述研究揭示了中央-顶叶和前额叶通道记录的EEG信号存在显著差异。由于两种条件下呈现的记忆阵列是相同的,这些差异表明工作记忆中物体的表示格式依赖于任务。然而,两种条件下不同探针的预期可能会导致工作记忆延迟阶段认知处理的差异,这与存储格式无关。

实验3

在实验1和2中,我们关注了位置和颜色之间的特征结合,鉴于位置在视觉处理中的特殊作用,这可能代表了一个特殊情况。有证据表明,物体可以自动与其空间位置一起编码。例如,一些研究表明,在VWM任务的延迟期间,可以从EEG数据中直接解码刺激的看似不相关的位置(Elsley & Parmentier, 2015; Foster, Bsales, Jaffe, &

讨论

在三个实验中,我们发现当需要短期维持视觉特征的任务和涉及维持结合物体的任务之间,EEG信号存在显著差异,尽管需要记忆的视觉输入(记忆阵列)在条件上是相同的。这提供了任务依赖的工作记忆过程的证据,并反驳了先前文献中隐含的观点,即存在一个固定的默认项目表示模式,无论是结合的还是非结合的

科学透明度声明

数据:支持这项研究的所有原始和处理后的数据均可公开获取:https://osf.io/w35q6/overview
代码:支持这项研究的所有分析代码均可公开获取:https://osf.io/w35q6/overview
材料:支持这项研究的所有研究材料均可公开获取:https://osf.io/w35q6/overview
设计:本文报告了所有研究中作者如何确定所有样本大小、所有数据排除标准、所有数据纳入和排除标准,以及

CRediT作者贡献声明

约尼·佩尔佐夫:撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。曹若一:撰写——初稿、软件、项目管理、方法论、调查、资金获取、数据分析、概念化。莱昂·Y·德乌埃尔:撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、数据分析、概念化。高在峰:撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化

未引用的参考文献

Croft和Barry, 2000; Dimigen, 2020; Elbert等人, 1985; Engbert和Kliegl, 2003; Jolicœur等人, 2008; Keren等人, 2010; Kiss等人, 2008; Luria和Vogel, 2011; MathWorks, 2024; Master等人, 2024; Ngiam等人, 2023; Ruchkin等人, 1990; Treisman和Garry, 1980.

利益声明

莱昂·Y·德乌埃尔是Innereye有限公司的联合创始人、顾问和股东,该公司与当前研究没有直接利益关系。其他作者声明没有竞争利益。
在准备这项工作时,作者使用了Claude工具来改进语言。使用该工具/服务后,作者根据需要审查和编辑了内容,并对发表文章的内容负全责

致谢

我们感谢中以合作科学研究计划(授权号3-13562)以色列科学基金会(授权号3504/2020)、Jack H. Skirball研究基金以及国家自然科学基金会(授权号32271090)的财政支持。我们感谢Areej Mousa在数据收集方面的协助。

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