自传记忆提取的神经机制及其研究方法

来源:用户上传      作者: 卢英俊　秦金亮

　　摘要　自传记忆(autobiographical memory，AM)是个人生活事件的记忆，它在人类认知中建构起自我、情绪、个人意义及其交互作用的主通道。对自传记忆的研究在广度上极大丰富了记忆的研究内容，并成为记忆研究乃至整个认知心理学新的方法论的增长点。利用PET，fMRI和皮层慢电位等手段对自传记忆进行研究，可以加深对自传记忆神经机制的认识。就Conway等提出的SMS模型中，自传记忆提取的神经解剖分布，自传记忆提取偏侧化问题和海马在自传记忆中的作用进行总结和评述，并分析比较了自传记忆脑机制的研究方法。
　　关键词 自传记忆，脑成像，皮层慢电位。
　　分类号　B842.3
　　
　　1　引言
　　
　　记忆的编码、存储和提取过程的神经机制，是认知神经科学研究的重要方面。研究显示，一系列网络状交互作用的脑结构支持着记忆功能。然而由于受实验室实验范式的影响，上述关于记忆提取神经机制的研究主要集中在语义记忆和情节记忆，对个人生活事件的自传记忆(autobiographicalmemory，AM)神经机制的研究却是近年的事。
　　自传记忆是关于个人生活的记忆。Conway称自传记忆是人类的鲜活记忆、真实记忆。传统的以无意义音节、字符串为刺激材料的实验室记忆研究是违反生态原则的僵死记忆研究。因此，对自传记忆提取的认知神经科学研究将有助于发现人类记忆的内在普遍机制。自传记忆在人类记忆中扮演着重要角色，它由一系列对个体特异的持久性信息所构成，这种记忆从年幼时就开始累积，构成了对个体同一性(identity)和连续性(continuity)的自我觉知系统。自传记忆包涵关于自我(self)的事件知识和语义知识。目前，国内对自传记忆的研究主要集中在纯心理层面的文献评论，涉及自传记忆的结构、特征、时间属性和相关理论等。在生理机制方面，仅有《儿童自传记忆形成与发展的机制研究评述》等少数文献对自传记忆形成的神经机制进行了初步的探讨。本文就近年来利用认知神经科学实验手段对自传记忆提取的神经机制研究进行文献评述。
　　
　　2　自传记忆提取的神经机制
　　
　　我们在亲身经历的事件中经验我们的人生，这些事件连续如溪流一般，影响着生命之河。自传记忆是最复杂的一种记忆系统，它使我们能够在心灵中逆时间而旅行，并重新经验这些事件。大多数情况下，在自传记忆任务中，对特定自传记忆的提取都是具有目的性的，即由称之为“生成提取(generative retrieval)”的过程所支持，并由额叶的执行过程所调控，包括策略、精细化、评估和抑制过程。
　　自传记忆是一种需努力建构和努力保持在意识中的一种即刻(transitory)心理表征。Conway等在讨论自传记忆建构时，提出了自我记忆系统(self-Memory System，SMS)模型，主要包括分层组织的自传知识库，循环迭代的提取过程和工作自我(working self，WS)。按照其特异性水平的不同，自传知识库分为三个层次：具体事件知识(event--specific knowledge，ESK)，一般事件知识(generalevents knowledge)和生活片断知识(1ifetime periodknowledge)。每当大脑建立起多层自传知识结构的稳定激活，就成功提取了一个特定的自传记忆。Conway等指出，上述的自传知识库是通过一个复杂的“生成提取”过程来访问的。在生成提取过程中，“提取模板(retrievaltemplate)”由中央定位控制过程所产生，并被用以调节记忆的建构。当提取的评估输出不能导致形成合适的记忆时，所获取的知识将被进一步精细化，并被用来作为下一个检索循环的线索。一个典型的提取过程包括：(1)精细化线索；(2)访问某一生活片断；(3)对于该生活片断的普通知识；(4)访问某一一般事件；(5)访问感知觉细节及其他ESK。Conway和Pledell-Pearce将这一产生提取模板、并使用其来调节检索与评估循环的功能定义为“工作自我”。然而，如果遇到一个足够特异化的线索，上述复杂的生成提取过程也可以被避开，即“直接提取(direct retrieval)”。
　　
　　2.1 SMS模型的神经机制解释
　　SMS模型认为“提取模板”生成的过程先于自传知识库的访问，且对不同层次知识的访问依从由抽象到具体的顺序。Conway等用EEG技术记录了被试自传记忆提取和保持过程中的皮层慢电位变化，发现在自传记忆建构的生成提取过程中，脑激活从前部向后部逐步传播。具体来说，在提取过程中，左侧额叶头皮的广大区域都表现出显著的负向直流漂移，右侧额叶区域表现类似，但较左侧幅度为小。而当某个特定自传记忆形成并保持在脑中时，位于后部颞叶和枕叶区域的电极记录到了显著的负向漂移。慢电位可以记录到记忆提取过程时间维度上的变化过程，其研究结果与SMS模型有非常好的对应关系。
　　左侧额叶的活动可能反映了中央控制过程在自我记忆系统中产生提取模板的作用；而记录到的右侧额叶的激活则可能反映了早期访问自传知识库的企图；而对输出进行评估则是由双侧额叶网络所共同调节的。调节“工作自我”的网络可能就存在于左侧额叶区域，因为它在早期的生成提取过程建构记忆模板时被激活。在自传记忆被提取时，尤其是对于易分辨、重要和生动的记忆，激活就转向后部双侧脑区，特别是枕叶区域。这似乎表明自传知识库中形成了稳定的激活模式，并与额叶“生成提取”的模板相连接。记忆形成后，激活很快地转移至右半球：在保持记忆阶段，激活显示在右侧额叶、颞叶(双侧，但在右侧范围更广泛)和枕叶(双侧)。当摆脱该记忆的提示出现后，在中央一顶叶区域和右半球脑区都呈现正走向电位，这反映了抑制记忆提取模型的心理努力。Conway假设一般事件知识储存在颞叶皮层区域，而具体事件知识存储在枕叶皮层。最近的慢电位研究还发现，经验过的自传记忆感知觉情节性知识(ESK)储存在枕叶网络，而想象事件(imagined events)的记忆则主要由额叶网络产生。
　　利用PET技术得到的结果也相类似。用自传回忆与普通情节记忆回忆的提取过程相减，显示有广泛的脑区网络参与了自传记忆提取：最主要的网络从左侧凸面的Brodmann Area(BA)6一直延伸到BA44／45；另一个相对血流量显著增加的脑区是颞中回后部的左侧前枕叶和左侧后顶叶(BA39)及左侧颞叶下部的BA20。这两个网络在自传记忆提取中起着重要的作用。进一步的特征图像(eigenimage)分析显示，造成自传记忆与普通情节记忆提取差异的首要因素(60％)是左侧额叶／右侧后部的因素。这些结果都表明自传记忆提取独特且广泛地激活了左侧额叶网络(“工作自我”所在脑区)，且与颞叶、

顶叶和枕叶的双侧激活(“自传知识库”所在脑区)紧密相连。
　　为研究自传记忆提取网络的时空特性，Addis等应用偏最小二乘法(PLS，一种多变量图像分析技术)来分析fMRI扫描结果。这一研究试图检验分层SMS知识库模型中的独特、具体事件(ESK)和重复、一般事件(general events)的记忆是否真实存在不同的神经基础。PLS分析揭示ESK和普通事件分别对应于该提取网络的不同部分。特定自传记忆事件提取，主要涉及情节记忆中的意像(imagery)相关的区域，包括左侧楔前叶、左侧顶上小叶和右侧楔叶；而一般自传记忆事件提取，主要涉及右侧颞下回、右额内侧皮质和左侧丘脑。这一结果与Conway的假设吻合，即ESK定位于后部新皮层网络，而抽象和概念化的知识则定位于大脑前部网络。根据PLS分析，这两种模式在刺激呈现后出现的时间延迟也不同：一般自传记忆事件的峰值在2～6s，而具体自传记忆事件的峰值在6～8s。这一延迟差异也与SMS理论相吻合，因为一般事件在自传记忆系统中处于比ESK更加优先到达的层次。PLS结果同时显示，海马活动在两种不同自传记忆提取中无显著差异，表明自传记忆网络中的某些区域在两种模式的提取过程中都很活跃。
　　然而，针对自传记忆提取的不同脑成像研究所得出的结论也存在着差异。如Aki Horiike等研究发现，自传性情节记忆提取与非自传性情节记忆相比，左侧顶上小叶(BA7)和双侧额叶联合皮层(BA9、10、11)的活动增强。其激活区域与Conway描述的区域并不重合，可能与自传记忆研究范式不同有关：Conway使用线索词，而Aid Horiike使用简单句子；前者以配对联合回忆任务(Paired-Associate Recall Task，PA)作为非自传性情节记忆对照，而后者以其他人的事件作为非自传性情节记忆对照。
　　
　　2.2自传记忆提取的大脑半球偏侧化
　　人类大脑左右半球存在功能和解剖上的不对称性。例如，利用Wade检验和裂脑人实验，都发现语言具有明显的左半球优势。左右半球在解剖上的不对称形，已被MRI技术所证实。我们感兴趣的是自传记忆记忆痕迹的激活或提取过程，是否也存在一定的偏侧化现象。目前的认知神经科学研究结果，对此存在三种不同的结论：
　　(1)左半球优势：Conway等强调左半球额叶在自传记忆“生成提取”中的重要性，指出其激活反应了对后部新皮层网络建构自传记忆的控制过程，且与对照组相比，自传记忆提取还激活了左半球的颞叶下部和枕叶。慢电位研究还表明，当自传记忆建构成功、记忆进入保持阶段时，负向偏移才转向大脑后部网络的颞叶和枕叶，且右半球较左半球更负，这是记忆提取的结果输出。Adds等也指出自传记忆任务的活动模式是与一个中部和偏左侧化的网络相联系的。此外，Maddock等以熟悉的人名作为线索词来诱发更真实的自传记忆，也显示自传记忆具偏左侧化的分布：尾端和左后部的扣带回是成功的自传记忆提取导致激活最强烈的区域，此外活跃的脑区还有左侧前眶中区、中额叶前部、楔前叶、楔叶和下顶叶后部等。
　　(2)右半球优势：Fink等研究了正常被试情绪性(affect-laden)自传记忆的功能性解剖。结果显示，Impersonal组(非自传性的情节记忆)对比Rest组(静息对照)，双侧颞叶活动增强――包括颞极、颞中回和颞上回。Personal组(自传性的情节记忆)对比Rest组，显示出与上相仿的激活模式，但有明显的右半球偏侧化；此外还激活了右侧内颞叶、右背侧前额叶，右后扣带回区域和左侧小脑。Personal组对比Imperonal组，激活模式表现出明显的右半球优势，包括右侧内颞叶(包括海马、海马旁回和杏仁核)、右颞侧皮层、右后扣带回、右侧脑岛和右侧前额叶区域。研究显示一个右半球的网络――包括颞叶、扣带回后部和前额叶区域都参与了情绪性自传记忆痕迹的激活(ecphory)。Fink等的结论与前述Conway研究结论存在明显差异，即自传记忆提取未发现存在左侧额叶的激活。对此，Conway解释说，主要是由于Fink使用了句子命名事件(高度情绪化)的方法来检测自传记忆，这加速了自传记忆的建构，并大大减少了产生有效提取模式所需的检索和评估的循环次数，提取过程中“工作自我”几乎没有活动，是一种类似“直接提取”的过程。
　　(3)无明显偏侧化：有fMRI实验发现自传记忆提取无明显偏侧化，双侧额叶联合皮层的活动都增强。以自传记忆与久远语义记忆(remote semantic memory)相比较，Steinvorth等研究了自传记忆痕迹激活(分为搜索和回想两个阶段)所对应的脑区，发现是一个很大的双侧网络支持着自传记忆提取：包含颢叶、颞一顶一枕交界、背侧前额叶皮层、额内侧皮质、压后皮质(retrosplenial cortex)和周围区域，以及内侧颞叶结构。
　　自传记忆成分的复杂性决定了其提取过程中脑活动的多样性。上述研究似乎表明，涉及人名等语义线索提取时存在左半球优势，涉及高度情绪化自传事件提取时存在右半球优势，而涉及某些更复杂的久远记忆提取时需左右半球同时参与，因而无明显偏侧化。
　　
　　2.3自传记忆提取与海马
　　有关长时记忆的保存和提取存在着不同理论，特别是关于海马和新皮层在久远记忆中的交互作用已在认知神经科学界引起了激烈的辩论。“认知地图理论(cognitive map theory，CM)”假设海马在保存与提取近期或陈旧的空间记忆中都发挥作用，但这一观点已被脑损伤和神经成像研究结果所否定。根据“标准巩固模型(standard consolidationmodel，SC)”，情节记忆先在海马中存储一个暂时的阶段，而后被巩固于颞叶新皮层中，此后对记忆的存储和提取都无需海马参与。相反地，“多痕迹理论(Multiple Trace Theory，MTT)”则指出，海马永久性地参与情节记忆的提取，其存储着指向新皮层记忆表征的索引或指针。记忆每激活一次，就产生一条新痕迹，所以旧记忆由于经常被复原就比近期记忆更不易破坏。界定海马在记忆系统中的作用，因不同理论之间的争论而显得异常困难。由于内侧颞叶结构(特别是海马)在自传记忆提取和产生情节性自传心像过程中都起着重要作用，故我们试图通过考察海马在自传记忆提取中的激活，来深入分析这一备受关注的问题。
　　(1)支持SC的证据
　　研究发现语义痴呆(semantic dementia)患者的自传性情节记忆缺失具有逆时间梯度的特点，即新近记忆比久远记忆保存得更好，这被认为是由于海马结构保存相对较好的结果，符合“标准巩固模型”。Niki和Luo试图用fMRI研究长时程地理性自传

记忆(TopographicalAM，TAM)，为内侧颞叶在长时记忆中的作用寻找直接证据。他们通过令被试回想7年以前访问过的地方(remote TAM)或最近到访的地方(recentTAM)，发现新近自传记忆相比久远自传记忆，在左内侧颞叶有显著的活动，峰值位于左海马旁回，激活区域延伸至海马。当比较详细新近自传记忆与详细久远自传记忆时，这一激活仍然显著，表明其不受回忆详细程度的影响。Piefke等研究了自传记忆编码与提取中的两个因素――时间间隔与情绪色调，结果发现新近自传记忆(与久远自传记忆相比)提取时，双侧压后皮质和海马区域活动增强，而久远自传记忆(与新近自传记忆相比)无统计上显著活动；正性情绪(与负性情绪相比)自传记忆提取激活了双侧眶额皮层、颞叶与内侧颞叶结构，峰值位于内嗅皮层，而负性情绪(与正性情绪相比)仅激活了右侧颞中回。该结果显示海马活动在时间维度上的差异，支持SC模型。还有脑损伤病例研究也显示提取久远自传记忆的能力并不依赖内侧颞叶，而是依靠广泛分布的新皮层区域，包括额叶、外侧颞叶和枕叶。
　　(2)持MTT的证据
　　Conway等对海马脑区的PET检测发现，新近自传记忆(12月以内)与久远自传记忆(发生在15岁或以前，被试年龄25～43岁)相比，其脑血流量无差异，而这一结果与SC模型中海马只参与新近尚未巩固的记忆理论相矛盾。另外，Steinvorth等发现自传记忆网络――包括内侧颞叶结构，在不同时期的自传记忆回忆(recent AM，1～2年前和remote AM，8～10年前)中变化甚小。Joubert等对一个79岁的单纯渐进性遗忘症病人GD，进行研究，发现虽然其语义记忆严重退化，但其自传记忆保存良好，且对童年、早期成年、中期成年和新近等四个阶段的自传记忆回忆成绩无差异(均接近100％)。而MRI扫描显示GD，海马脑区保存相对较好，作者据此指出自传性记忆的保存与海马结构的相对完好相关。以上研究均表明不同时期自传记忆回忆之间的神经基础无显著差异，显然不支持记忆的SC模型。
　　对于(1)中支持SC的证据，有研究者进行了深入研究并提出异议。例如，先前报导语义痴呆表现出自传性情节记忆缺失具有逆时间梯度性质，即新近记忆比久远记忆保存得更好。然而如果在语义痴呆自传记忆的研究中改进实验方法，即提供不同程度的“提取支持”(retrieval support)，并区分情节性语义记忆和个人性语义记忆，结果就会显著不同。如McKinnon等在低提取支持的条件下，发现对SC理论的有限证据；而在提供结构化探针(structured probing)时，患者的自传记忆功能就与对照无异了。这可能是由于语义痴呆病人的渐进性额叶损伤，使得通常为提取自传记忆所提供的提取支持不够充分所致。Maguire等用PET研究了四种类型的记忆(根据是否个人相关与时间相关来区分)，发现左侧海马旁回在记忆提取中的作用与是否个人相关或时间相关都无关。Ryan等的fMRI研究显示，海马激活水平在久远自传记忆(20年以上)与新近自传记忆(4年以内)两种状态下无差异，且新皮层激活也与时间因素无关，这表明即使是保持和提取非常久远的记忆，仍需要海马复合体的参与。Addis与Moscovitch等的fMRI实验也表明，自传记忆提取激活了广泛区域(包括海马)，但是海马活动在具体自传记忆(specificAM)与一般自传记忆(generalAM)提取中无差异，表明时间不是海马激活的关键调节因素。他们发现调节自传记忆(无论specific AM还是general AM)提取中海马激活的主要因素是自传记忆的详细度(detail)、个人意义(personalsignificance)与情绪性(emotionality)。
　　由以上分析，MTTN论在自传记忆提取实验中似乎得到了更多的证据，但更广泛、深入的研究与分析仍有待展开。也有人试图调和两种理论，如Nester在研究了语义痴呆和额叶变异额颞叶痴呆(fvFTD)的自传记忆回忆之后，指出两种理论都可能与证据相符。
　　
　　3　自传记忆提取研究的认知神经科学方法
　　
　　除了常规的心理测验方法，目前应用于自传记忆提取研究的认知神经科学技术主要分为两类：功能性脑成像(主要PET或fMRI)与EEG慢电位。此外，对特殊群体(如语义痴呆、fvFTD、遗忘症和脑损伤病人等)进行自传记忆心理测验的同时对比MRI图像中脑区受损情况，也可以间接得出有意义的结论，在此不详述。
　　
　　3.1功能性脑成像
　　通常自传记忆的PET实验使用放射性同位素150，可通过精确测量提取过程中的局部脑血流量(rCBF)来获取自传记忆提取网络的解剖分布。但由于PET有需注射放射性同位素的缺陷，且其时空分辨率不及fMRI，最近期的自传记忆研究大多采用后者。自传记忆提取的脑成像研究，需要将提取时间过程简单区分，如Steinvorth对记忆搜索(给出提取线索词或句子之后，直到被试按键反应，表示已经回想到某个自传记忆事件，self-paced)和记忆回想两个阶段(紧接按键后，要求被试尽可能详细地回忆该事件，均为6s)分别进行fMRI扫描，此后有2s时间令被试为记忆的形象程度(vividness)打分。这样的设计可以分别研究自传记忆搜索和回想的子过程，不致混淆。此外，由于研究目的或思路不同，研究者对对照的选取也各不相同，有的以普通情节记忆PA为对照(Conway认为PA与自传记忆任务的认知过程最接近)，有的以非自我相关的情节记忆(扫描前听一段故事中的情节等)为对照，有的以久远语义记忆为对照，Addis等则选用了两组对照――句子完形填空任务(语义信息提取vs自传记忆)和大小辨别任务(视空间加工任务vs自传记忆)。以记忆任务或其他认知任务作为自传记忆对照，需要仔细分辨其认知加工过程的异同、慎重地进行选择。研究者选取不同的对照、不同的提取线索(词或句子、强或弱、是否带情绪性等)和不同的反应方式(如按键、口头报告等)，都会对功能性成像结果造成显著影响。除了PET和fMRI技术本身的缺陷和生理噪声干扰以外，这也可以部分地解释为何自传记忆提取神经解剖的研究结果差异性较大。
　　
　　3.2 EEG慢电位
　　当采用DC而非AC放大器记录EEG时，可以观察到脑电缓慢的漂移，即皮层慢电位(slow cortical potential，SCP)。由于许多研究都表明大脑皮层表面记录到的负向SCP漂移，反映了其下部神经组织活动(如突触后电位及相关活动)的增强，SCP已经越来越多地被应用于大脑区域的功能定位。SCP方法已在复杂的记忆功能定位中得以应用，如Ruchkin和Lang都发现短时记忆中保持视空间

和语音材料分别对应于慢电位活动的不同拓扑分布；对不同类型知识提取的SCP研究发现：提取以口语、空间或色彩为媒介的命题时，各自导致不同脑区的负向慢波。SCP作为一种EEG信号，在时间分辨率上具有明显的优势，并且可以观察到持续数秒或分钟的连续变化；而根据SMS理论，生成自传记忆提取的激活模式是随时间而进展的，那么应用SCP研究记忆提取就具有无可替代的优势。为此，Conway确信SCP实验中得到的随时间而变化的整体激活模式，完美地反应了自传记忆提取不同于其他认知过程的特征。在自传记忆的SCP实验程序中，需要包括基线时段，记忆提取、记忆保持和记忆删除等不同的阶段。实验设计中特别要除去其他认知过程或活动对SCP的影响，如对视觉刺激反应的P2(260ms左右)，对线索词本身加工所导致的电位变化和按键所引起的运动预备电位(Bereitschaftspotential，BSP)及其后陡峭波形等。虽然可以增加电极导数，头皮慢电位的空间定位精确性显然较低，这是SCP主要的缺点。
　　
　　4　小结与展望
　　
　　综上所述，自传记忆的认知神经科学研究揭示，自传记忆提取涉及很大的神经网络，包括额叶、颞叶、枕叶、顶叶和边缘系统在内的广泛区域。Conway等提出的自传记忆提取“自我记忆系统(SMS)”模型，包括分层组织的“自传知识库”(从抽象到具体分为三个层次：生活片断、一般事件和具体事件)，循环迭代的“生成提取”过程(直接提取为例外)和“工作自我”(产生提取模板、并调节和评估提取过程)。功能性脑成像和EEG慢电位研究都为SMS模型提供了较好的实验证据，如发现抽象的一般事件与具体的ESK在拓扑分布上的分离，左侧额叶广泛区域的激活对应于“工作自我”调控“生成提取”的过程等。 然而，对自传记忆提取神经基础的不同研究，发现其激活模式存在一定差异，且研究者对自传记忆偏侧化问题也存在不同的观点，进一步的工作仍有待展开。首先，进一步的研究应分类而进行，严格界定研究的实验范式，特别是脑成像实验中自传记忆对照的设计。其次，从研究方法上来说理想的研究模式可以将EEG的高时间分辨率与fMRI、PET等的高空间分辨率相结合，以期得到更精确的自传记忆提取时空分布模式。第三，由于自传记忆是一个复杂的随时间变化的认知过程，所以需要设计严谨的实验程序，并特别要注意分辨、去除各种干扰和伪迹，以免将视觉加工，字词加工，运动电位等掺入其中。第四，Conway的多层“自传知识库”，将自我相关知识分为三类，其中ESK定位于后部新皮层网络，而抽象和概括化的“生活片断”与“一般事件”则定位于大脑前部网络。对此虽已有初步的证据，但“生活片断”与“一般事件”知识在解剖上的分离尚有待直接的验证。第五，对海马在记忆系统中的作用，存在“SC模型”和“MTT理论”的争议而未形成定论。本文所综述的自传记忆提取研究似乎更加支持后者，进一步研究将有助于更好地理解海马在记忆系统中的功能。第六，自传记忆提取的研究，可以使我们更深入地认识人类的自我是如何在大脑中表征的，以进一步发现“自我认知”的神经网络和“自我加工”的神经机制。第七，自传记忆提取的认知神经科学研究成果，也可以进一步为痴呆和遗忘症等疾病的诊治提供科学依据。例如，Maddock等发现尾端和左后部的扣带回是成功的自传记忆提取导致激活最强烈的区域。由于扣带回后部与内嗅皮层及海马旁回都有密切的交互，根据早期Alzheimer病以及颞叶切除和缺氧性遗忘的临床研究结论，可以将扣带回后部的代谢减退作为Alzheimer病的早期病变指标，而将自传记忆提取任务作为其检测手段。
　　总之，自传记忆提取神经机制的研究不仅可以深化自传记忆加工机制的研究，为自传记忆的精细化研究提供支持，而且有利于新的实验范式的探索，并为相关临床神经疾病研究提供科学依据。

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