任务切换机制研究的理论争议与整合

黄四林 林崇德

摘要任务切换是执行控制的一种重要功能。切换代价是量化执行控制持续时间的指标，并广泛应用于各个研究领域。但是切换代价在多大程度上体现了执行控制的作用，仍然还存在争论，当前主要存在任务设置重构、任务设置惯性和联结竞争三种理论。本文首先介绍了三种理论的基本观点和实验证据。以及对任务切换加工机制的分析；其次阐明了对三种理论进行整合的相关研究；最后分析了进一步研究的方向。

关键词任务切换。切换代价，剩余代价，执行控制。

分类号B848

1引言

在现实生活中人们往往需要同时完成两个或两个以上的任务，必要时改变执行的任务，并且需要在瞬间从一个操作任务切换到另一个操作任务。于是，在工作记忆中两项任务同时竞争同一认知资源，为保证任务顺利进行需要中央执行系统对认知加工过程进行协调控制、调节和修正反应。中央执行系统的这种功能被称之为任务切换(task switch-ing)功能。最早对任务切换进行研究是1927年Jersild的实验。但是直到最近十年来，学者们在研究中央执行时发现，任务切换是研究执行控制的一个重要范式。才开始对其系统地研究。

在典型的任务切换实验中。要求被试注意、判断、归纳、记忆或计算刺激的不同属性或成分，当刺激序列中出现一个刺激时。被试按照实验的要求执行任务。有时需要快速地从一个任务切换到另一个任务，有时重复执行相同的任务。众多研究发现，被试执行切换任务比重复任务的反应时更长，错误率更大。研究者把在任务切换过程中反应时或正确率的亏损称为切换代价(switc cost)，即切换任务的反应时或错误率与重复任务的反应时或错误率之差。根据减法反应时的逻辑，切换代价反映了在执行切换任务中包含有重复任务所没有的加工阶段，即中央执行系统在切换过程的作用。根据这个思想，切换代价是量化执行控制持续时间的重-要指标，并且广泛应用于各个研究领域。

由于执行控制的复杂性。使研究者对其在任务切换过程的作用，仍然存在争议。围绕着这些问题，众多研究对任务切换的机制进行了大量的研究，以揭示切换代价产生的本质。本文试图从以下两个方面对任务切换机制的行为和脑成像研究进行梳理和评价：第一。主要介绍三种理论的基本观点和实验证据，以及对任务切换加工机制的分析；第二，介绍对三种理论进行整合的相关研究。最后，分析已有研究存在的问题及未来研究方向。2对任务切换机制研究的争议

争论的实质是，切换代价在多大程度上体现了执行控制的作用。目前主要有三种理论：任务设置重构(task-set reconfiguration，TSR)、任务设置惯性(task-set inertia，TSI)和联结竞争(task-set priming associative retrieval)。任务设置重构理论强调执行控制在切换过程中的作用，即自上而下的控制(top-down control)；任务设置惯性理论强调之前任务设置激活的延迟效应(carryover ef-fect)，即来自持续激活的自动控制；联结竞争理论强调刺激一反应联结(S-R association)的作用，即自下而上的刺激驱动。

2.1任务设置重构理论

2.1.1基本观点

Monsell和Meiran等人提出了任务设置重构理论，强调切换代价反映的是内源性的(endoge—nous)、自上而下的执行控制过程。任务设置(task-set)指的是某种任务的刺激一反应映射的内在表征，它能提供一种内在的情境性结构使人们偏向于选择与任务有关的刺激特征和反应，从而形成连贯性的目标取向的行为。只有采用了适当的任务设置，才能够使人们选择、联结和构建一系列心理加工资源以有效地完成新任务。该观点认为，相对于重复任务只需保持之前任务设置而言，在执行切换任务时首先需要一个“任务设置重构”的过程，它包括注意的转移，将当前任务的反应规则提取到工作记忆中以改变之前的反应规则，以及抑制之前任务设置，并激活当前的任务设置。他们认为正是这个额外过程的存在导致了切换代价，也就是说，切换代价反映了为完成切换任务设置的重构所导致的亏损。

2.1.2任务设置重构的证据

根据重构观，如果在执行切换任务之前有充分时间进行重构，切换代价会显著减少，这就是所谓的准备效应(preparation effect)。众多研究已证实了准备效应的存在。但是有研究发现在准备时间为600ms或者更长时间之后，切换代价的减少似乎形成了一条稳定的渐进线，不再减少，这就是剩余代价(residual cost)。有的研究表明，即使是当准备时间长达5s，仍然存在稳定的剩余代价。

对于剩余代价，Monsell等人认为任务设置重构包括了内源性的控制和外源性的控制两个部分。在刺激之前且在无靶刺激的预先信息情境下，人们可以根据自己的内在意向来完成任务设置重构，这是内源性控制。但是，另一部分任务设置重构必须等到靶刺激出现之后才能执行。从而导致了剩余代价，因此它反映了外源性控制。Rubinstein等人研究发现，剩余代价是由于在刺激出现后。被试需要把刺激一反应规则提取到工作记忆的加工过程而导致的。

脑成像技术的采用，为任务设置重构观点提供了信息加工脑机制的证据。如Karayanidis等人在一项ERP的研究中发现，在反应一刺激间隔(re—sponse-stimulus interval。RSI)出现了特定于切换任务的差异正波(differential positivity)在顶叶最大，并且在前一个序列反应之后的400ms左右达到顶峰。Nicholson等人使用了任务线索范式研究发现，位于顶叶的切换正波受到线索一刺激间隔(cue-stimulus interval，CSI)(150ms到600ms)操作的影响，但是不受RSI的影响(750ms到1200ms)。这说明位于顶叶的切换正波受到对接下来任务准备的影响，而不受之前序列的延迟效应时间的影响。由此可见，两种任务确实存在不同的脑机制。Aron等人在一项对脑损伤病人与正常人的fMRI对比研究中揭示了重构过程的脑激活区，发现对抑制任务设置的敏感区是右侧额下回(rightinferior frontal gyrus，IFG)，而对自上而下控制任务设置的敏感区是左侧额中回(left middle frontalgyrus，MFG)。

2.1.3任务设置重构的加工机制

准确刻画任务设置重构的内在加工过程或机制，有利于揭示切换代价的本质，这类研究主要集中在两方面：一是从整体上探讨任务设置重构过程；二是分析重构发生的具体时间和阶段。但是在这两个问题上，又各自存在着两种不同的观点。

首先，对于任务设置重构存在阶段性加工与

“全或无”(all or none)过程之争。一方面，有研究认为任务设置重构是具有阶段性的序列认知加工过程。如Rogers和Monsell提出了两步骤模型(two-step model)，即在目标取向条件下既有在靶之前预先准备的内源性控制，又有靶驱动的外源性控制。Hubner认为任务设置是逐步准备的过程，因为随着可预期内容的增加，被试的反应会加快。Nicholson等人的一项ERP研究支持了阶段性加工的观点，他们通过把线索分为“切到线索(switch-to)”和“切离线索(switch-away)”两种类型，结果发现，与重复任务脑波相比，对于切到和切离序列，位于线索的差异波出现了更大的普遍的差异正波。但是，只有在切离序列上差异正波的晚期部分显著下降，并且差异正波在刺激开始之后才出现嗍。这说明，对于切到序列，在刺激出现之前就开始使用了新的任务设置，但是对于切离序列，这个过程被延迟直到刺激开始之后才进行。从而导致了切换代价的增加。这个研究把重构加工有效地分离成了两部分：即切离当前任务设置和切到另一个新任务设置。

另一方面有研究认为，在准备时间内，被试必须将反应规则提取到工作记忆中以有效完成任务重构，但提取是一个全或无的过程。提取成功，在刺激呈现之前就能完成任务设置重构，那么，两类任务的反应时无显著差异；提取失败，重构必须等到刺激呈现之后才能完成，那么切换任务的反应时显著延长。导致了剩余切换代价。因此，他们认为任务重构也是一个“全或无”的过程。Goffaux等人在一项ERP实验中验证了此结论。根据上述所说的观点。他们假设，如果两类任务的差异在于重构加工。那么当两类任务反应时相等时，在靶刺激呈现之前、位于线索的脑波应该存在显著差异；进一步假设，如果重构在靶呈现之前已完成，那么位于靶呈现之后的脑电波应该无显著差异。Gof-faux等人发现，当两种任务反应时无显著差异时，位于线索间隔内的负慢波(negative slow wolfe)的波幅在重复任务之前显著大于切换任务，但是在位于靶间隔内的脑电波却无显著差异(如P3b)㈣。

其次，在探讨任务切换的加工过程的同时，一些研究试图更加清晰地聚焦设置重构的具体认知加工环节及发生的时间。如Rubinstein等人认为，特定切换任务的加工有两个成分，即目标转移(goalshifting)和规则激活(rule activation)。如果准备时间充分和任务切换是可预期的，那么目标转移会在刺激开始之前发生，但是规则激活却不在刺激开始之前发生，而是在刺激之后，从而导致了剩余切换代价。他们进一步推测，这个额外的控制过程介于刺激识别结束与反应选择开端的之间㈣(图1-B)。

另一种观点认为，特定于切换任务的额外加工是改变当前刺激中与任务有关维度的倾向，即刺激设置倾向(stimulus-set，S-set biasing)，而且它出现在刺激识别阶段的开始之前。刺激设置倾向在线索一刺激间隔(CSI)内进行调整且在刺激识别之前完成M(图1-C)。

2.2任务设置惯性理论

2.2.1基本观点

Allport等人提出了任务设置惯性观，强调切换代价反映的是外源性的(exogenous)刺激驱动过程。他们认为任务设置在执行后一段时间内还会存在，形成了一种自动化的延迟效应。之前任务设置的持续激活有利于完成重复任务，却干扰了切换任务执行，只有对此进行额外抑制，才能进行切换，这使得切换任务的反应变慢，即切换代价。他们进一步推测，这种之前任务设置激活的延迟效应并不受被试的控制。它是一种自动化的、外源性

2.2.2任务设置惯性的证据

支持此观点的研究主要有两个方面：一是通过揭示在执行当前任务的同时存在对之前任务设置的抑制，另一个是通过操纵预先信息研究发现并不存在重构观所强调的特定切换任务的重构。

Allport等人采用了Stroop任务研究发现，从颜色命名切换到读词所导致的切换代价。显著大于从读词切换到颜色命名所导致的切换代价。这种切换代价的不对称性，表明被试更难切换到比较容易的任务(读词)中去。有研究在用母语和第二语言命名数字的实验中，发现被试更难切换到母语命名的任务中去。为什么切换到更熟练的任务时，需要花费更长的时间呢?Allport等人根据任务设置惯性观来说明这种现象，认为被试在完成不熟练任务(颜色命名或第二语言命名)时需要对来自熟练任务(读词或母语命名)的干扰进行额外的抑制。因此不熟练任务的设置中包含了对容易任务的抑制成分；接下来，如果再从不熟练任务切换到熟练任务时，则需要摆脱之前对它的抑制，导致反应变慢。上述这种观点在返回抑制(sackward-inhi-bition)研究中得到了证实。有研究发现，ABA中的最后一个任务A的反应慢于CBA中任务A的反应。这表明当前任务的执行同时存在对新近执行的序列抑制。此抑制用来脱离新近的任务设置，从而顺利进行接下来的任务设置。Swainson等人采用fM-RI技术与go/nogo任务。发现克服之前反应抑制的区域是后部ACC(caudal ACC)。抑制的发生，说明了之前任务设置持续激活的延迟效应。

为检验是否存在特定切换任务的设置重构，一些研究考察了事件信息对任务切换的影响。事件信息的操纵包括序列性任务的可预测性(sequentialtask predictability)和提示线索的有无两种类型。Ruthruff等人采用交替转换范式(AABBAA)，并在可预测的任务序列中偶尔插入未预料的任务(未预料的重复AABBB和未预料的切换AABA)。他们发现，任务预期对两种任务具有同等程度的影响效应。即不存在特定切换任务的准备效应。对线索的有或无进行操作的研究，获得了与此一致性的结论。有研究以单侧化准备脑电位(lateralizedreadiness potential，LRP)为指标，发现并没有特定于切换任务的准备优势，而是在反应选择阶段上对于两种任务具有等同的准备效应。Brass等人采用脑成像定位发现，与准备有关脑激活区是左侧额下联合(left inferior frontal coniunction)与前辅助运动区(pre-supplementary motor area，pre-SMA)，但是这些区域的激活并不特定于切换任务，而是任务准备。

2.2.3任务设置惯性的加工机制

根据任务设置惯性的观点，切换任务与重复任务具有类似的加工过程，所不同的是，对于切换任务，由于之前任务设置激活的延迟，导致了当前任务的某个认知加工环节被延长了。那么，持续激活的具体成分是什么?被延长的认知加工环节又是什么?

一些研究者采用go/nogo或stop-signal任务。

使得此问题的研究获得了突破。go/nogo任务要求对随机呈现的某一刺激做出反应(go反应)，对另一个刺激不做出反应(nogo反应)。Stop-signal任务，要求对go信号做出反应，但是一旦出现stop信号，则需要立即停止反应。在这两种范式下，任务序列n-1分为go反应和nogo(或stop)反应两种类型，通过比较任务序列n(go反应)的反应时和错误率，以考察之前任务反应对接下来任务成绩的影响。有研究发现，在nogo序列之后的切换序列不仅没有出现切换代价。而且当ABA-CBA中B为nogo序列时，对ABA中最后一个任务A的反应不再慢于对CBA中任务A的反应。这些说明，之前任务设置中是反应选择导致了切换代价。

Sohn等人推测当前任务中被延长的认知加工是反应选择(见图1-D)。Ruthruff等人通过对任务的可预测性进行操纵的研究结果进一步支持了此结论，但是他们认为，并不能完全排除任务设置重构加工存在的可能性，这种可能性只有在对即来任务无法预测的条件下才会出现。而且在刺激开始之后就发生了重构过程(见图1-E)。

Hsieh等人采用ERP手段，以两个事件相关电位(19300和lateralized readiness potential，LRP)为指标进行了一系列研究，进一步支持了反应选择被延长的结论。他们以P300波峰的潜伏期作为刺激分类加工完成的指标，LRP的开始作为特定手反应准备开始的指标。其中，位于刺激间隔的LRP成分(Js LRP interval)对影响早期加工(如刺激识别和反应选择)的因素比较敏感；位于反应间隔的LRP成分(R-LRP interval)对影响后面加工(如发动执行)的因素比较敏感(见图2)。结果发现，S-LRP interval在切换任务上显著地长于重复任务，而R-LRP interval无显著差异，这说明被影响的认知加工在发动执行之前；P300波峰的潜伏期在两种任务上无显著差异，这说明刺激识别之后的加工被延长了。结合图2中可以得出。与反应选择有关的认知加工被延长了。

2.3刺激一反应联结竞争理论

2.3.1基本观点

Allport等人提出了刺激一反应联结竞争理论，认为当刺激对应多个反应联结时，被试在执行不同任务中遇到相同刺激时就会产生切换代价，主要是由于刺激一反应联结在提取过程发生冲突，解决这个冲突的过程导致了时间的亏损。

具体地说，当靶刺激是双向(bivalent)刺激(每个刺激对应两种反应可能)时，在所有的序列中包括切换任务和重复任务都存在竞争，最后被执行的是竞争胜出的任务。并且每执行完一个任务，其对应的联结会得到加强。例如，如果任务A对应于重复序列，则它在之前的序列中得到了加强，相对更容易在竞争中胜出；反之，如果任务A对应于切换序列，在之前得到加强的是另一任务，任务A竞争胜出更为困难，相应的耗时更长，于是产生了切换代价。

2.3.2刺激一反应联结竞争观的证据

Jersild最初研究任务切换时，使用了两套任务，一套任务是数字加3或减3；另一套是数字加3或报告给定形容词的反义词。前一套任务中每个刺激对应着两种可能的反应，称为双向刺激；后一套任务中每个刺激只对应于一种反应。称为单向刺激。研究发现，在前一套任务中发现了切换代价，而在后一套任务中没有发现切换代价。

即使同一个刺激对应的多种反应一刺激联结不是同时出现，而是先后出现在不同区组内，也同样会出现竞争效应。Waszak等人采用了图画一单词的Stroop任务，如卡片上图画为鼻子，单词却是tongue(舌头)。在第一个任务区组中，要求被试给图画命名而忽略卡片上的单词：在第二个区组中进行单词阅读任务，那些先前在图画命名中出现的卡片，使被试的单词阅读任务产生了切换代价。而在图画命名中没有出现过卡片，被试的单词阅读任务没有产生切换代价。此结果表明，先前图画命名任务中的刺激一反应联结，在随后任务中与单词阅读任务的刺激一反应联结发生竞争，导致了切换代价。有研究采用go/nogo任务和脑成像技术发现，对加工反应冲突的敏感区是前部ACC(rostral ACC)。

与Stroop任务不同，Koch等人采用了在难度上具有对称性的数字大小和奇偶判断任务，在前4个block中，被试固定地进行每个刺激对应一个任务，如3只判断奇偶，当第5个block时，刺激一任务对应突然改变，如3只判断大小。通过这种变化刺激一任务匹配，比较第4个和第5个block的任务执行成绩，结果发现反应时和切换代价都显著增加。这进一步验证了基于刺激的启动的存在。

3对三种理论的整合

上述三种理论分别从不同的出发点考察了任务切换的机制和切换代价的本质：任务设置惯性关注前一个任务设置持续激活的延迟，任务设置重构强调对接下来任务的准备。而联结竞争主张刺激一反应映射之间的冲突。任务加工过程如果是序列性认知加工，它们可能分别发生在任务切换加工的不同时间过程中。由此可以推测，这些因素可能共同影响了任务切换的过程，并导致了切换代价。使用单一因素模型来模拟任务切换的机制，只能反映切换代价的某个侧面。于是，一些研究者在继续深入分析某个环节的认知加工机制的同时，开始寻找一种能够综合多个因素的模型，更为全面地拟合任务切换的机制。

3.1切换代价的多成分

任务线索范式的使用，有效地整合了任务设置重构和惯性两种理论。在任务线索范式内，前一个任务的反应到接下来靶刺激的出现间隔(RSI)可以分为反应一线索间隔(RCI)和线索一刺激间隔(CSI)两部分。对切换代价的本质，任务设置重构强调准备时间(CSI或者RSI)内的重构，而任务设置惯性认为是之前反应的持续激活在反应之后的一定时间内(RSI或者RCI)的延迟。Meiran等人通过分别操纵了RCI和CSI间隔，结果发现，随着两个间隔的延长，切换代价都显著减少。但是他们认为。二者减少的内在机制不同，RCI反映了之前任务设置激活的延迟，而CSI反映了对接下来任务的准备；同时还发现，即使充分延长了RSI，仍然存在剩余切换代价。由此他们认为，切换代价包括三个成分：(1)之前任务设置激活的消极耗散(passive dissipation)；(2)新任务设置的准备(preparation)；(3)剩余成分(residual component)。

对剩余成分本质的研究，进一步整合了联合竞争理论。Koch等人在上述研究的基础上，考察了基于线索的任务准备和基于靶刺激的启动对任务切换的影响，结果发现，切换代价包含三个成分：(1)有目的性的、基于线索准备的任务激活；(2)之前任务的持续激活；(3)由任务刺激本身所引

起的基于刺激的任务激活。而且还进一步发现，这三种成分之间还存在着某种关系。他们发现延长CSI影响准备成分和刺激激活成分。而延长RSl只是影响持续激活成分，而不影响刺激激活成分，由此推测，基于线索的准备和基于刺激的启动影响了刺激设置(stimulus set)，而之前设置的持续激活影响的是反应设置(response set)。

3.2加工机制的多因素模型

为进一步验证上述切换代价包含多成分的理论。研究者对任务加工机制的多因素影响进行了探讨。有研究发现。在任务切换过程不仅包括执行控制(或内源性准备)的作用，也有自动控制(外源性调节)的效应，且二者分别影响任务加工的不同阶段。

Sohn等人提出了两成分模型(two-componentmodel)，认为切换代价包括执行控制和自动控制两方面，而且两个成分分别影响不同的认知加工。他们在一项脑成像研究中获得了进一步的验证。发现内源性准备主要涉及到外侧前额叶皮层(lateralprefrontal codex，BA46/45)和顶叶后回(posteriorparietal coaex，BA4D)，而外源性控制对应于前额叶上回(superior prefrontal cortex，BA8)和顶叶后回(posterior parietal conex，BA39/40)。Hsieh采用了ERP技术考察了任务序列的可预测性(固定序列与随机序列)和刺激类型(双向与单向刺激)对任务切换的影响。结果发现，在线索出现之后，当任务序列可预测时，与重复序列相比，切换序列出现了更大的正波(positivity)；在刺激呈现之后，当靶是双向刺激时，切换序列引发了更大的负波(negativity)，当靶是单向刺激时，没有出现此脑波。有关切换序列的正偏移脑波反映了在准备过程中的装载和激活任务规则的认知加工；而负波反映了抑制来自于在双向刺激中无关刺激特征的干扰或竞争。这说明任务设置重构与联结竞争分别作用于线索和靶刺激呈现之后两个不同阶段。

Ruthruff等人通过操作任务序列的可预测性和任务类型对任务切换的研究，提出了构建一执行模型(configuration-execution model)。他们把影响任务切换代价的因素分成两类：即自上而下的和自下而上的，研究发现二因素对任务切换的影响并不是交互作用，而是具有可加性(additivity)，即两个因素分别独立地影响了任务加工的不同阶段。

从上面有关整合研究可以看出，切换代价不仅包含了反映执行控制的成分，同时也包含了自动控制或外源性调节的成分。因此，不能简单化地把切换代价作为执行控制的指标。

4小结与展望

近十年来，人们采用了多途径、多学科的联合攻关的思路，对任务切换的研究取得了众多成果。认知行为研究主要在功能层面上勾画出任务切换的加工过程，脑成像技术寻求大脑结构上的证据，而两因素模型整合了已有研究结果，提出了重要的理论解释。但是仍然还存在有待进一步解决的问题。

首先，三种理论为人们深入分析了认知加工的不同阶段，从某个侧面揭示了任务切换的机制。并且已有研究提出了两成分模型，试图整合这些研究结果，但是这些模型之间还存在不一致的地方。今后的研究，要寻找一种更高的模型或理论来整合这些已有的结果，以全面揭示任务切换的机制和澄清切换代价的本质。

其次，一种有效的研究范式的形成是解决问题的关键。已有研究不仅发展了多种研究范式，而且结合了其他研究范式，如Stroop、go/nogo任务，使得某些问题获得了新突破。但是，正是由于不同研究者采用了不同的研究范式。导致了已有研究结果的分歧。同时，目前多数研究采用了线索任务范式，但是对此范式是否能够考察执行控制的功能，还存在不同的声音。

最后，脑成像技术的使用，打开了任务切换的深层脑加工机制。但是在一些具体的问题上研究者们仍存在分歧，如：是否存在特定切换任务的脑激活区。此外，对于任务设置重构和任务设置惯性的具体加工机制，已有研究结果之间具有不一致性，行为和脑成像研究的结合有利于解决这些分歧。