知觉负荷与负性情绪对工作记忆的影响：一项ERP的研究*

陶爱华，厉　行，潘发达

(1.南通大学杏林学院，南通 226007；2.南通大学教育科学学院，南通 226019)



知觉负荷与负性情绪对工作记忆的影响：一项ERP的研究*

陶爱华1，2，厉行1，潘发达2

(1.南通大学杏林学院，南通 226007；2.南通大学教育科学学院，南通 226019)

摘要：采用事件相关电位技术(ERPs)，结合0-back范式，对19名来自某高校的大学生进行测试，考察了知觉负荷与负性情绪对工作记忆的影响。行为结果发现，情绪类型、任务类型和知觉负荷的主效应均显著，但三因素在反应时和正确率上均不存在交互作用。ERP 结果发现，P3的平均波幅在情绪类型、任务类型和知觉负荷上的主效应均显著，且情绪类型与电极点，情绪类型与知觉负荷，任务类型与知觉负荷，任务类型、电极点与知觉负荷均存在交互作用。说明工作记忆受知觉负荷、情绪类型和任务类型的影响，且彼此相互影响。

关键词：知觉负荷；负性情绪；工作记忆

1引言

情绪与记忆的相互作用及其潜在神经基础，已成为近年认知神经科学的热点研究领域。基于情绪与工作记忆的关系，Eysenck和Calvo提出的“加工效能理论”被认为是负性情绪影响工作记忆的重要理论(Eysenck & Calvo，1992)。该理论认为，个体工作记忆系统资源有限，焦虑情绪会占用部分工作记忆资源，使用于认知操作的工作记忆资源减少，导致正确率降低或反应时增加。负性情绪选择性地影响空间工作记忆(Lavric，Rippon，& Gray，2003；Shackman，Sarinopoulos，Maxwell，et al.，2006)。而导致这种选择性影响的机制还不清楚。

目前有关负性情绪选择性地影响空间工作记忆的解释有两种。一种是Shackman假设情绪和记忆的冲突可能是因为皮层的功能重叠，负性情绪和空间工作记忆都存在右半球优势，故而产生相互影响。另一种是Lavric认为冲突可能是认知资源的竞争。负性情绪占用大量注意资源，而这种注意资源在空间工作记忆中发挥着重要作用，因此空间工作记忆功能受损。

围绕负性情绪是否选择性地影响空间工作记忆以及相关影响机制等问题，ERP研究提供了一些神经生理学证据。如Li 等人研究发现头皮前部的晚期正成分(late positive components，LPC)仅在空间任务中受影响，这种选择性影响从刺激消失后200ms出现，而P200成分被认为与早期注意资源分配有关，表明负性情绪对空间工作记忆的影响可能是由于注意资源竞争造成的(Li，Li，& Luo，2005)。之后Li 等又进一步采用锁时延迟样本匹配任务范式，发现在空间或言语编码与提取阶段，言语或空间任务的早期P3b成分和晚期P3b均减少。在保持阶段，负性慢波NSW表明一个显著的情绪状态和任务类型的交互作用。负性情绪比中性条件下仅在空间刺激试验中诱发了一个更多的负性偏移。表明，负性情绪对空间和言语工作记忆存在不同效应且主要发生在信息保持阶段，特定情绪与一定的认知加工过程存在一个恒定的关系(Li，Chan，& Luo，2010)。注意资源竞争可能是情绪与工作记忆的选择性交互作用的潜在神经机制(Li，Ouyang，& Luo，2010)。这种选择性影响并非由情绪诱导方式决定且具有一定稳定性(欧阳峥峥，孙世月，李雪冰，罗跃嘉，2010)。

上述研究均表明负性情绪对言语/空间工作记忆的影响差异主要体现在保持阶段的晚期正成分P300成分的变化差异上，P300成分波幅的变化与情绪唤醒效应有关，即反映情绪捕获了注意资源(Keil，Bradley，Junghöfer，Russmann，Lowenthal，& Lang，2007)。负性情绪与空间工作记忆产生的注意资源竞争与认知负荷密切相关(李雪冰，罗跃嘉，2011)。Wiens等(2012)发现高情绪强度可以避免空间忽视和知觉负荷的影响，提示情绪与注意及知觉负荷存在竞争的作用。Bancroft，Hockley和Servos(2014)也发现工作记忆的保持不仅依赖于前额皮质，还与知觉皮质有关。

综上可知，负性情绪选择性地影响空间工作记忆的保持阶段，表现为P300成分波幅受负性情绪影响而减小，且这种影响可能与知觉负荷的调节有关。为探讨负性情绪对空间工作记忆的选择性影响是否受知觉负荷的调节，该研究继续采用n-back 任务范式，为区分认知负荷(此模式的特点是通过控制N的大小来操纵工作记忆负荷)，实验中仅采用0-back任务范式(以往研究表明在2-back的任务中才出现负性情绪对空间工作记忆的选择性影响)，以同时呈现的字母个数来操作知觉负荷大小，考察不同知觉负荷下负性情绪影响工作记忆的加工机制。

2研究方法

2.1被试

有偿招募南通大学学生19名，平均年龄为22岁，其中男生9人，女生10人，均为右利手，无身心疾病，无色盲色弱。被试以自愿形式参加实验，并签署知情同意书，实验结束后向被试支付一定数量酬劳。

2.2实验材料

84张情绪图片来自国际情绪图片系统(IAPS)：42张为令人厌恶的图片和42张为中性图片。根据IAPS评分，厌恶图片比中性图片具有更高负性情绪效价(2.15±0.43vs.5±0.35；T(41)=-36.534，P<0.001)，情绪唤醒程度也更高(6.34±0.62vs.3.24±0.59；T(41)=23.324，P<0.001)。练习图片和正式实验图片不同。并用图像软件PhotoShop 6.0 将图片大小、亮度、对比度调成一致。

2.3实验设计

实验为2×2×2 被试内设计。自变量1为情绪变量，包括负性情绪和中性情绪。自变量2为工作记忆类型，包括言语和空间工作记忆，自变量3为知觉负荷，包括1个字母和3个字母。因变量为被试再认任务的反应时和正确率。

2.4实验程序

情绪诱发：通过情绪图片反复呈现诱导被试的特定情绪，要求被试对情绪状态做主观报告，图片反复呈现直到报告有负性或中性情绪产生为止。

为保证被试在同一时间段内情绪的稳定性，实验分为前后两个section，分别对应两种不同的情绪条件。每一阶段只呈现同类图片，中间休息 20 分钟，防止互相干扰。

采用E-prime2.0编制实验程序。被试两眼注视屏幕中央，双眼距离屏幕75 cm。采用0-back工作记忆任务。被试只需要记住每次试验开始时第一个出现的刺激，接下来出现的刺激都与第一个进行比较。刺激为12个英文字母(A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L)随机出现的一个或三个，可能出现在屏幕的12个位置中的一个或三个上。这12个位置是两个虚拟的半径为2cm和6 cm的圆与3条直径(一条水平轴，两条平分线)夹角为45°或90°的直径的交点。

每个section包含一个字母任务和一个空间任务，每个任务包含一个字母和三个字母，每种任务有80个trial，每个trial包括：字母呈现时间300ms，反应时间1500ms，间隔200ms。每个section之间间隔10min。在言语工作记忆任务中，要求被试比较出现的字母，忽略字母出现的空间位置；在空间工作记忆任务中，要求被试比较字母出现的位置，而忽略字母本身。一半被试对相同刺激按“v”键，不同刺激按“m”键，另一半被试的按键反应相反。每种试验条件在被试之间平衡。每个section之后，被试需要在9点情绪自评量表(SAM)上对自己目前的情绪状态进行评分。

图1　实验流程图

3结果和分析

3.1行为数据

剔除反应时小于100ms和大于1000ms以及正负三个标准差之外的数据和错误反应数据，剔除正确率低于80%被试的数据，采用SPSS 18.0统计软件对各种实验处理水平下的反应时和正确率进行重复测量方差分析，平均值和标准差见表1。

表1　反应时和正确率的平均数和标准差

表2　反应时和正确率的方差分析

注：*表示在0.05水平上显著。

3.2脑电数据记录与分析方法

实验仪器为美国Neuroscan公司脑电记录系统Scan4.5，参考电极置于左侧乳突连线，离线分析时以M1和M2的平均作为参考电极，GND点接地，采用64导电极帽记录脑电，记录水平眼电和垂直眼电，采样频率为500Hz/导，头皮电阻降至5kΩ以下。同时记录被试行为数据(正确率和反应时)。进行离线分析(off-line analysis)，合并行为数据，分析时程(epoch)为刺激呈现前200ms至刺激呈现后1000ms，以刺激呈现前的200ms为基线，滤波带通为AC=0.05-100Hz，自动矫正眨眼等伪迹，对正确反应的trial进行叠加和平均得到ERP总平均波形。

按国际标准10-20系统位置放置电极，选择12个电极位置记录的ERP波形用于统计分析，分别为F3、FZ、F4、FC3、FCZ、FC4、P3、PZ、P4、PO3、POZ、PO4；确定时间窗为P3：150ms-300ms。

对ERP波形的测量指标进行重复测量方差分析，检验情绪类型、任务类型和知觉负荷对工作记忆加工过程的影响。对不满足球形检验的统计效应采用Green-house-Geisser法进行P值校正。各极点P3幅值的平均值和标准差见表3。不同电极点的脑电幅值见图2。

表3　各极点P300幅值的平均值和标准差

表4　P300的方差分析

续表4

效应FSig类型*电极2.5190.100情绪*类型*电极3.240.053负荷*电极2.960.067情绪*负荷*电极1.460.303任务类型*负荷*电极5.640.011*情绪类型*任务类型*知觉负荷*电极点3.280.051

注：***表示在0.001水平上显著，**表示在0.01水平上显著。

图2　不同处理水平下电极脑电图

4讨论

Eysenck和Calvo提出的“加工效能理论”认为，焦虑情绪会占用部分工作记忆资源，导致认知操作正确率降低或反应时增加。对于负性情绪条件下工作记忆反应时较中性长，正确率也较高；这种工作记忆反应时的情绪效应可能是基于认知资源的，也可能是由于负性情绪下个体在工作记忆任务中采用了规避风险的保守策略。为了确定负性情绪对空间工作记忆的选择性的影响机制是基于认知资源的，研究者们考察了诸多外部因素的作用，比如罗跃嘉等人(2010)采用0-back任务范式和2-back任务范式，发现这种选择性的影响机制受认知负荷的影响并具有特定性与选择性。情绪捕获了注意资源(Keil，Bradley，Junghöfer，Russmann，Lowenthal，& Lang，2007)。负性情绪与空间工作记忆产生了一个视空间注意资源竞争，这种竞争机制与认知负荷密切相关(李雪冰，罗跃嘉，2011)。Wiens等(2012)通过让被试注视情绪图片中心的字母，发现高情绪强度可以避免空间忽视和知觉负荷的影响，情绪与注意及知觉负荷可能存在竞争的作用。Bancroft，Hockley和Servos(2014)发现工作记忆的保持不仅依赖于前额皮质，还与知觉皮质有关。那么负性情绪对空间工作记忆的选择性的影响机制是否又受知觉负荷的调节呢？该研究结果表明情绪类型、任务类型和知觉负荷均对工作记忆有影响。对于言语工作记忆，3个字母时反应时较1个字母长，正确率较1个字母低，对于空间工作记忆，3个字母时反应时较1个字母短，正确率较1个字母低。也就是说，随着知觉负荷的增加，不管是言语工作记忆还是空间工作记忆，正确率均降低。而在反应时上，仅言语工作记忆随知觉负荷的增加而增加，空间工作记忆出现了相反的情况。这表明负性情绪对空间工作记忆并不是简单的选择性影响机制，跟信息的加工通道有关。

此外，ERP 研究提供了一些神经生理学证据，首先是Li 等人采用锁时延迟样本匹配任务范式，探讨不同阶段负性情绪对言语/空间工作记忆加工的影响。发现在编码以及提取阶段，言语或空间任务的早期P3b成分和晚期P3b均减少。在保持阶段，负性慢波NSW表明情绪状态和任务类型存在显著的交互作用。特定情绪与一定的认知加工过程间存在一个恒定的关系(Li，Chan，& Luo，2010)。其次，欧阳峥峥等人对情绪的诱导方式进行探讨，发现负性情绪的这种选择性影响并非由情绪诱导方式决定且具有一定稳定性，只有空间任务的 P300成分受到负性情绪的影响而减小。负性情绪同样选择性地影响空间工作记忆(欧阳峥峥，孙世月，李雪冰，罗跃嘉，2010)。此外，Wiens等(2012)和Bancroft，Hockley和Servos(2014)研究发现工作记忆的保持不仅依赖于前额皮质，还与知觉皮质有关，情绪可能与注意及知觉负荷存在竞争的作用。为进一步验证负性情绪对空间工作记忆的这种选择性影响，考虑不同知觉负荷、任务类型与情绪下工作记忆的认知神经机制，记录F3、FZ、F4、FC3、FCZ、FC4、P3、PZ、P4、PO3、POZ、PO4十二个电极点的 ERP波形。结果发现，言语工作记忆的P3波幅显著大于空间工作记忆的波幅；负性情绪条件下工作记忆的P3波幅显著大于中性情绪条件下工作记忆的波幅；三个字母知觉负荷上F3、FZ、F4、FC3、FCZ、FC4、P3、PZ、P4、PO3、POZ、PO4的P3波幅均显著大于一个字母知觉负荷上的波幅；情绪类型与电极点存在交互作用，情绪类型与知觉负荷存在交互作用，任务类型与知觉负荷存在交互作用，任务类型、电极点与知觉负荷存在交互作用。P3的幅度显著受知觉负荷、任务类型与情绪的共同调控。如前所述，P3的幅度受诱发刺激的突出性(如刺激的情绪效价或情绪唤醒)的影响，反映情绪捕获了注意资源(Keil，Bradley，Junghöfer，Russmann，Lowenthal，& Lang，2007；赵仑，2010)。P3幅值作为信息加工容量的指标，反映了受注意和工作记忆联合调控的事件或刺激活动(Albert，2001)。

关于上述负性情绪对空间工作记忆的选择性影响机制方面，Lavric提出一个比较合理的解释。Lavric 认为冲突可能是对某种认知资源的竞争。负性情绪占用了大量的注意资源，导致空间工作记忆功能受损。不过，这种负性情绪对空间工作记忆并不是简单的选择性影响，跟信息的加工通道有关。或许对于言语信息加工和空间信息加工，二者在所占用的认知资源的分配上会有所不同。它们不是单一的随着知觉负荷的增加而占用的认知资源相应增加。

5结论

本研究通过实验发现：

(1)情绪类型、任务类型和知觉负荷可能会影响工作记忆，但三因素在反应时和正确率上均不存在交互作用。

(2)P3的平均波幅在情绪类型、任务类型和知觉负荷上的主效应均显著，即言语工作记忆的P3平均波幅显著大于空间工作记忆的波幅；负性情绪条件下工作记忆的波幅显著大于中性情绪条件下工作记忆的波幅；3个字母条件下工作记忆的波幅显著大于1个字母条件下工作记忆的波幅；不同电极点工作记忆的P3平均波幅差异显著。

(3)交互作用显著，情绪类型与电极点，情绪类型与知觉负荷，任务类型与知觉负荷，任务类型、电极点与知觉负荷均存在交互作用。说明工作记忆受知觉负荷、情绪类型和任务类型的影响，这种作用彼此相互影响。

参考文献

李雪冰，罗跃嘉.(2011).空间及言语工作记忆任务的情绪效应：来自ERP/fMRI的证据.心理科学进展，19(2)，166-174.

欧阳峥峥，孙世月，李雪冰，罗跃嘉.(2010).音乐诱发负性情绪对语音工作记忆和空间工作记忆不同影响的事件相关电位研究.中华行为医学与脑科学杂志，19，813-816.

赵仑.(2010).ERPs实验教程(p.72).东南大学出版社.

Albert，K.(2001).On the utility of P3 amplitude as a measure of processing capacity.Psychophysiology，38，557-577.

Bancroft，T.D.，Hockley，W.E.，& Servos，P.(2014).Does stimulus complexity determine whether working memory storage relies on prefrontal or sensory cortex?AttenPerceptPsychophys，76(7)，1954-1961.

Baddeley，A.(2010).Working memory.CurrentBiology，20，R136-R140.

Eysenck，M.，& Calvo，M.(1992).Anxiety and performance：The processing efficiency theory.CognitionandEmotion，6，409-434.

Keil，A.，Bradley，M.M.，Junghöfer，M.，Russmann，T.，Lowenthal，W.，& Lang，P.J.(2007).Cross-modal attention capture by affective stimuli：Evidence from event-related potentials.Cognitive，Affective，&BehavioralNeuroscience，7(1)，18-24.

Lavric，A.，Rippon，G.，& Gray，J.R.(2003).Threat-evoked anxiety disrupts spatial working memory performance：An attentional account.CognitiveTherapyandResearch，27，498-504.

Li，X.B.，Li，X.Y.，& Luo，Y.J.(2005).Selectiveeffectofnegativeemotionspatialandverbalworkingmemory：AnERPstudy(pp.1284-1289).Proceeding of ICNN′05.IEEE Press.

Li，X.B.，Chan，R.C.K.，& Luo，Y.J.(2010).Stage effects of negative emotion on spatial and verbal working memory.BMCNeuroscience，11，60.

Li，X.B.，Ouyang，Z.Z.，& Luo，Y.J.(2010).TheeffectofcognitiveloadoninteractionpatternofemotionandWM：AnERPstudy.Proceedings of ICCI’10，IEEE Press.

Postle，B.R.(2006).Working memory as an emergent property of the mind and brain.Neuroscience，139，23-38.

Shackman，A.J.，Sarinopoulos，I.，Maxwell，J.S.，et al.(2006).Anxiety selectively disrupts visuospatial working memory.Emotion，6，40-61.

Wiens，S.，Molapour，T.，Overfeld，J.，& Sand，A.(2012).High negative valence does not protect emotional event-related potentials from spatial inattention and perceptual load.CognAffectBehavNeurosci，12，151-160.

An Effect of Perceived Load and Negative Emotion on Working Memory：An ERP Study

Tao Aihua1，2，Li Xing1，Pan Fada2

(1.Xinglin College，Nantong University，Nantong 226007；2.School of Education Science，Nantong University，Nantong 226019)

Abstract：The study combined the 0-back experimental paradigm to examine the effect of perceived load and negative emotion on working memory for 19 students from a university.The tasks of working memory were two kinds of verbal working memory and spatial working memory.The reaction time and accuracy were recorded in the experiment.The results showed that the main effect of emotion，task type and perceived load were significant in the reaction time and the correct rate.The interaction between the three factors in the reaction time and the correct rate was not independent.ERP results showed that the average amplitude of P3 was significant in emotional，task type and perceptual load.The interaction between emotional types and electrode points was significant，and the interaction of emotion types and perceptual load was significant，and the interaction of task type and perceptual load was significant，and the interaction of among task type，electric pole and perceptual load was significant.It is explained that the working memory is influenced by the perceptual load，the emotion type and the task type，and the effect of the working memory is affected by each other.

Key words：perceived load；negative emotion；working memory

*基金项目：江苏省大学生创新训练计划项目(201413993004Y)，南通大学杏林学院大学生创新训练项目(2014)。

通讯作者：陶爱华，E-mail：chinastone1126@ntu.edu.cn。

中图分类号：B842.5

文献标识码：A

文章编号：1003-5184(2016)03-0227-07