超常记忆之谜：来自不同认知层面的初步解答，本文主要内容关键词为：之谜论文,认知论文,层面论文,记忆论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
人类超常记忆可以表现为快速记忆活动，如短时间内识记数字、字母、图片、扑克牌、人脸等；还可以反映为超大容量的信息贮存，如识记大量的圆周率位数、超厚字典等；此外，也体现在具体领域活动中，如国际象棋大师的棋谱记忆能力、心算天才的记忆能力等。不禁要问，这些超常记忆有何特点，为什么拥有以及如何具备？本文将从认知视角，以行为、计算和生理这三个层面的研究证据来初步回答这些问题。
一、行为层面：实验心理学的证据
在心理学中，真正从科学意义上来对超常记忆行为进行研究的，始于Binet（1894）。他率先研究了两个心算者（Inaudi和Diamondi）和一个记忆专家（Arnould）的记忆能力，所呈现的任务有数字记忆广度、数字矩阵等。例如，在每两秒一个数字的速度下，Inaudi的记忆广度为36；在每秒一个数字的呈现速度下，他的广度只有7，但经过训练，可以提高到12。之后，一些具有超常记忆的人，先后接受了较为正规的心理学实验研究。这其中有：德国数学教授Rückle（G.E.Müller,1911,1913,1917），日本记忆专家Isihara（Chiba & Susukita,1934; Susukita,1933,1934; Susukita & Heindl,1935），波兰心算者Finkelstein博士（Bousfield & Barry,1933; Sandor,1932; Weinland,1948）；俄国记忆专家Shereshevskii（Luria,1968）。1970年代起，现代心理学实验室中一些研究记忆的实验程序，如配对联想技术、反应时分析技术等，被用来研究某些记忆专家；这其中有：心算者Aikten博士（Hunter,1962,1977），餐馆记菜单的高手JC（Ericsson & Polson,1984）。[1]
值得注意，从实验心理角度并上升到理论高度来解释超常记忆现象，则是美国卡耐基梅隆大学的两位研究者——Chase & Ericsson——在1980年前后的一系列研究（Chase & Ericsson,1981,1982; Ericsson & Chase,1982）[2][3]；他们的研究结论颇具影响力，发表于美国顶尖学术刊物——《Science》（Ericsson,Chase,Faloon,1980）[4]。那时，Chase与Ericsson训练了一批大学生，目的是提高他们短时间内记忆数字的能力，如数字记忆广度。其中一个被试，即SF最受关注。最初，他的数字广度为7；经过多次尝试，SF学会了将所记忆数字与跑步时间相联系；这得益于SF曾经是个长跑运动员，具有大量有关于数字的背景知识，即各级别比赛中各式各样的跑步时间；同时，他还学会编组，以便按一定顺序检索数字。研究结束后，SF发展出大量的检索结构（retrieval structure）和记忆编码术（mnemonics），从而使他在一秒一个数字条件下的数字广度达到惊人的84；同时，他的加工速度也得到了提高。
为了复现SF的行为，研究者又找到一名被试——DD，也是一位长跑运动员；研究者训练他沿用SF的编码方法，结果DD也赶上了SF的成绩提高速度，并超过了SF曾经创造的数字广度记录，达到令人咋舌的120左右；进一步分析发现，DD和SF在记忆技能结构方面存在极大的相似性（Richman,Staszewski,& Simon,1995; Staszewski,1988）[5][6]。
为了解释这一超常记忆获得现象，Chase & Ericsson基于大量实验数据以及训练过程，提出了“熟练记忆理论”（skilled memory theory），包括三条原则：（1）有意义编码原则，即个体将信息编码进入长时记忆，这有赖于先前知识和模式；（2）检索结构原则，即个体把已编码信息联系于检索线索，后者能激发从长时记忆中的信息提取；（3）加速原则，即个体在编码和检索操作上越是熟练，则所需要的刺激呈现时间越短。这一理论后来被拓展为长时工作记忆（Long-Term Working Memory）理论，从更一般意义上来解释各领域专家的过人记忆能力（Ericsson & Kintsch,1995）[7]。
这一理论解释，是否可用来解释其他记忆大师的超常行为呢？进入1990年代，Rajan（印度）开始进入实验心理学的研究视野。在实验之前，他曾是一个吉尼斯圆周率数字记忆记录保持者，能准确回忆至31，811位。实验心理学家大量分析了他在数字、字词、图形、符号等刺激上的记忆行为，基本证实了Chase & Ericsson熟练记忆理论中后两条原则，但对第一条原则却有不同看法。一派认为，其超常记忆能力与天生过人的短时记忆能力（如数字记忆广度可以达到40以上）有关，因此与有意义编码存在与否关系不大（Thompson,Cowan,Frieman,& Mahadevan,1991; Thompson,Covan,& Frieman,1993）[8][9]；另一派认为，在其编码方法受到干扰的条件下，他的短时记忆广度可降至常人水平，因此，其超常记忆能力仍然是大量训练的结果（Ericsson,Delaney,Weaver,& Mahadevan,2004）[10]。
上述两派的争议，在另一位世界记录打破者——Takahashi（日本）——接受一系列心理学实验后，“天平”开始倾向“后天努力”这一因素（Takahashi,Shimizu,Saito,& Tomoyori,2006）[11]。Takahashi曾保持这一记录为40，000个数字。研究表明，他在数字类记忆任务上，如记忆广度（视觉呈现方式）和数字矩阵等，与常人没有差异；同时，在非数字类的记忆测试，如字词和段落等，也与常人相差无几。基于访谈，研究发现，他在破记录之前，曾经花费9，000－10，000小时来识记这些数字；此外，他在识记圆周率时，有数字-字词转换表，以帮助他通过字词来生成各式句子，赋予这些枯燥的数字以意义，从而加强了对数字的记忆能力。
此时，另一个问题出现了，与Rajan相比，为什么Takahashi在经过大量数字记忆的训练之后，其短时记忆任务成绩仍然没有得到提升呢？这一问题，在吕超（中国）——又一位吉尼斯世界纪录打破者——接受研究后，开始有了的点眉目（Hu,Ericsson,Yang & Lu,2009）[12]。他的圆周率记忆记录是67，890位。研究结果表明，在某种程度上说，吕超的记忆行为更像Takahashi，其数字广度记忆成绩也与常人一样，但在自我控制速度的数字记忆方面，如一长串数字和数字矩阵等，其记忆优势就表现出来了，这体现在学习速率和效率上；在记忆方式上，他也有数字-字词转换表，并且会将转化后的字词（图像）串联起来，形成一幅幅生动的景象，且联系于某个地方（类似心理学中的位置记忆法）。
从对三位吉尼斯圆周率记忆的世界记录曾经拥有者——从Rajan到Takahashi再到吕超——的系列化实验研究上，可以初步得出这样的结论，即：同样是数字方面的超常记忆能力，可能存在两类；一类是经过训练后，长时记忆能力和短时记忆能力都得到提高，如Rajan；另一类是也有大量训练，长时记忆能力也增强，但短时记忆能力仍停留在常人水平，如Takahashi和吕超。这一差异的根源可能在于不同的记忆术：Rajan依赖大量数字记忆类知识，通过激活它们来联系要识记的一系列数字；而Takahashi和吕超则倾向采用自设的数字－字词（图像）转换表，通过构想一些虚拟故事来记忆数字。当然，这是一种可能性解释，且需要得到进一步研究来证实。
总之，关于此主题的行为层面研究，尽管已经获得了一些结论，也提出了相应的理论，但存在一些缺陷，即：（1）超常记忆个体往往不易获得，而目前所积累研究大多为个案，还无法做出更具说服力的概括性结论；（2）对超常记忆个体的实验室研究，尤其是少量的记忆任务，是否能真实反映其比赛或破纪录时的状态，目前仍然不是很明确；（3）对超常记忆的研究，往往是个体在展现出超常记忆能力之后的若干年，但对其为什么会具有这些能力，以及如何具备这些能力，仍然还不清楚；（4）对超常记忆个体的研究，如果对被试进行长时间且大量的实验测试，他们往往会对实验任务进行适应，以至无法区分是个体自身因素影响，还是实验训练所致。所以，要在行为层面上比较明确地回答有关超常记忆的若干问题，仍然还有很长一段路要走。
二、计算层面：计算模拟的证据
对人类超常记忆实质与发展的探讨，其中一条路径是计算模拟。此一路径基本采用“由因及果，据果溯因”的研究方式，这就是：先根据特定记忆理论，设计出相应的计算模型，然后比较模型与人类在某种超常记忆活动上的表现，并据此推断调节人类记忆的内在认知特性与机制，进而验证相关认知理论。这一研究路径由已故诺贝尔奖获得者、著名认知心理学家H.A.Simon所开拓；最早可以追溯到MAPP（Memory-aided Pattern Perceiver），模拟了国际象棋大师的复盘能力（Simon & Gilmartin,1973）[13]；之后是EPAM-IV（Elementary Perceiver and Memorizer IV）（Richman,Staszewski,& Simon,1995），模拟了人类超强数字记忆能力表现与发展[5]；现在，比较成熟的模型是CHREST（Chunk Hierarchy and REtrieval STructures），着重模拟了国际象棋领域棋手的超常记忆行为，详尽考察了相关因素的影响（Gobet,1993; Gobet & Simon,1996a,b; Gobet & Waters,2003; Gobet & Simon,2000; Smith,Lane,& Gobet,2008; Bilalic,McLeod,& Gobet,2008）[14][15][16][17][18][19][20]。下面将以CHREST模型为例，介绍人类超常记忆行为的计算模拟原理（构成成分和认知过程）及其模拟行为。
在构成成分上，CHREST模型中主要有四个：（a）长时记忆（LTM）；（b）短时记忆（STM），是一个队列（queue），其容量仅有4个组块（chunk）；（c）辨别网络（discrimination network），是针对LTM的一个索引；（d）“心眼”（mind's eye），临时存储视觉信息。尤其注意的是辨别网络，它存在于长时记忆之中；在其中，一个节点就是一个组块或者模板（template）。从操作意义上讲，所谓组块，在国际象棋领域中，就是一系列特定棋格上的棋子（pieces on squares,POS）或者单个棋子；而模板就是一种特殊形式的组块，只不过还包括一些空槽（slots），可以存储变化的信息。
在认知过程上，CHREST模型存在三类机制：眼动机制、学习机制和识别机制。在眼动机制中，CHREST模型“看到”需要记忆的棋谱时，会按照人的眼动模式来“注视”棋子或棋格，且通过辨别网络来分类视域中发现的棋子。具体方式是，找到注视点棋子在辨别网络中对应节点，沿着其下某个分支，注视与这一分支有关的棋格。如果找到匹配，则发现更大组块；如果行不通（例如，既定假设之下没有任何分支，或者该机制在先前注视中已经用过），则模型采用其他的机制，例如：注视知觉显著的棋子，注视攻防转化后的某个棋格，注视还未光顾的棋盘部分，随机注视视域边缘内容，等等。
在学习机制中，模型中辨别网络得以扩容，这主要有两种方式：熟悉（familiarization）和辨别（discrimination）。具体来说，每到一个节点，就与当前节点的表象（即客体的内部表征）进行比较：（a）如果表象包容客体，则新特征加入到表象，如添加信息到已有当前组块之中；这就是熟悉，一般用时2s；（b）如果表象中信息与客体在某些特征或子成分上存在差异，则添加一个分支（branch），以新路径来存取一个节点，或者在辨别网络中产生一个新节点（和通往节点的一个新分支）；这就是辨别，一般耗时8s。此外，还存在第三种学习方式，即用组块来填充某个模板的空槽，这需时250ms。
在识别机制中，模型一旦发现了一个熟悉节点（组块），即辨别出网络已经熟悉的模式，此时，则将指向其的一个指针置于STM内。具体来说，当到达一个节点时，模型核查是否存在相似连接。如果有，模型确定通向该节点的连接具有最大“信息价值（information value）”。所谓信息价值，是指组块表象中POSs的数目，如果该组块是一个模板，则要加上空槽的数目。然后，提取这一组块放置于STM中，如果识别到模板，就放置于空槽之中。通常，将组块编码到STM中只需50ms。
根据上述方式构建的CHREST模型，如要对人类超常记忆行为进行模拟，还需要“学习”，即扫描几千个来自大师比赛棋谱的数据库，以扩容模型中的辨别网络。如果辨别网络越大，代表所包含的组块和模板越多，因此可以认为此网络相当于更高水平的棋手。例如，一个网络如拥有3000个节点，可认为相当于一般棋手；如有300，000个节点，则认为是超一流大师棋手。在一系列研究中，CHREST模型都比较准确地模拟了人类国际象棋大师的超常记忆行为，这可表现在以下三方面：
首先，模型模拟出棋手“一对多”下棋活动中的超强记忆能力。以5s一个棋谱的速度向被试（模型）呈现了5个棋谱，要求他们尽可能多地回忆所有棋谱上的棋子。结果表明，具有不同辨别网络大小的模型，其回忆率与对应人类棋手的水平相当，且呈现出同样的趋势，即棋谱越多回忆率越差。进一步，模型可以解释了A级棋手97.4％的数据，体现了较好的模拟性；当然，也有不尽如人意之处，即模型在回忆4到5个棋谱时，成绩比人类棋手要好（Gobet,1993）[14]。
其次，CHREST能模拟人在比赛棋谱和随机棋谱上的不同表现，即：在比赛棋谱上，模型模拟出人类棋手随专长水平提高的记忆优势；在随机棋谱上，这类优势则减少。值得注意，大多数行为层面的研究认为，在回忆比赛棋谱上的技能效应，应该在随机棋谱上消失；但是，CHREST模拟认为，大师应该表现略好，因为其长时记忆中储存的大量组块，会使得他们在面对随机棋谱时，能偶尔识别少量模式；事实结果恰好验证了模型的预测（Gobet & Waters,2003）[17]。
最后，随着年龄增长，个体回忆能力越来越差，其中一个原因就是短时记忆容量的减少。CHREST模型也可以模拟人类记忆这方面的发展趋势。具体来说，通过修改模型中短时记忆容量的大小，如从4个组块改为3个或2个组块，就意味着模型“越来越老”，从而可以观察此一参数修改后的模型行为是否能模拟人类超常记忆的老龄化现象。结果表明，随着呈现时间的增加，记忆成绩都增加；其中，如果短时记忆容量减小，无论是人类棋手还是模型的记忆行为都变差，且与网络大小存在互动效应（Bilalic,McLeod,& Gobet,2008）[20]。
总的来说，这一研究途径相对于行为层面及生理层面的研究，其优势在于，不仅可以从质而且可以从量上，精细刻画人类超常记忆活动规律，如估计大师拥有的组块数量，预测“真实随机棋谱”识记任务上的技能效应等等。但是，模拟毕竟还是模拟，不能就此认为人类认知活动就是如模型所预想的结构和过程那样。这一层面研究仅仅是提供了一种解释途径，对其“因果”设想中的“因”（即有关于超常记忆活动的认知特性的理论）的探讨，还需要不断综合来自行为层面和生理层面的研究成果，才能做出更为科学的推断与假设。
三、生理层面：认知神经科学的证据
从生理层面来揭示超常记忆现象，始于21世纪初，这得益于脑成像技术（如PET,ERP,fMRI等）在心理学领域的广泛应用。这一层面的研究，主要回答这样的问题：超常记忆是否关联于特殊脑结构？如果关联，那么是否可以找到行为层面所探讨的知识、认知机制等的生理基础。
此一层面最为经典的研究为英国伦敦大学学院Maguire等人的研究，曾发表在英国顶尖学术杂志——《Nature:Neuroscience》[21]。Maguire（2003）对擅长各类数字记忆的世界级别记忆大师（参加吉尼斯世界记忆大赛的选手）的脑结构进行扫描，但没有发现任何与常人的结构性差异。研究发现，在行为指标上，大师与常人的记忆成绩在数字材料上差异最大，人脸图形材料上差异不明显，雪花片图形材料上趋同。进一步，通过fMRI技术发现，世界记忆大师与常人在记忆数字、人脸图形、雪花片图形这三类材料上，存在这样两个一致性的差异：（1）尽管两组被试的某些脑区域，如右小脑，在各类刺激上都处于激活状态，但对记忆大师来说更为活跃；（2）在某些阈限水平上，有些脑区域的激活仅出现在记忆大师身上。甚至，某些脑区域的激活出现在记忆大师学习所有材料上，如左内顶上回、双侧后夹肌皮层、右侧海马后部。通常，这些脑区域被认为对记忆来说相当重要，尤其是在空间记忆上。上述脑激活指标方面的差异模式表明，与常人相比，大师一直是激活同样的脑区域来识记不同材料，尽管有时奏效有时无效。之后的言语报告则揭示出，大师在大多数情形下倾向使用“位置法”这一记忆术。据此，研究者得出这样的结论，世界级记忆大师的超常记忆能力得益于其大脑的功能性使用，具体来说就是使用了特殊的记忆术。
既然超常记忆与特殊脑功能方式有关，是否可以进一步明确特定认知结构或认知过程的生理基础呢？例如，从认知心理学研究中提出的“组块”这一概念，是否有相应的生理基础呢？
有研究运用γ波段的等效电流偶极子（equivalent current dipole,ECD）模型这一手段，比较了10位一流国际象棋大师和10位业余棋手的记忆活动（Amidzic,Riehle,Fehr,Wienbruch,& Elbert,2001; Amidzic,Riehle,& Elbert,2006）[22][23]。结果发现，激活大师的记忆组块，可以产生局部的γ波段活动，这主要存在于新皮层区域。在下棋时，大师在提取长时记忆中贮存的信息，激活新皮层中细胞群；而新手主要在编码新信息，激活颞叶结构和海马。因此，存在这样一种可能，颞叶和海马结构在超常记忆于新皮层生成过程中起过渡作用；同时，也存在这样的可能，组块与组块生成，以及大脑在新皮层存储与操作组块，将决定某个特定任务上的天赋表现，并在超常记忆中起关键作用。这一研究探讨了棋手在下棋活动的认知状态（包括记忆、预测、决策等），从整体上比较相关脑区域激活状况。但是，在具体识记任务上，是否可以直接探测到“组块”的精确定位呢？
有研究通过fMRI技术，探索了国际象棋棋手的组块的脑定位（Campitelli,Gobet,Head,Buckley,& Parker,2007）[24]。研究者分析了5名专家级别棋手在四类刺激，即比赛棋谱、随机棋谱、图形组合和定点棋谱等再认任务中表现。研究假设，在脑活动上，比赛棋谱与定点棋谱的比较可揭示工作记忆成分，比赛棋谱与图形组合的比较可揭示长时记忆成分，比赛棋谱与随机棋谱的比较可揭示长时记忆中组块成分。结果表明，在脑成像数据上，比赛棋谱与定点棋谱的脑活动比较，可发现在额前皮层背侧和顶叶具有更多激活，而在颞叶上几乎没有激活。比赛棋谱与图形组合的脑活动比较，可发现在颞叶区域存在较多激活，如在梭状回、海马旁回和颞下回；同时，在楔前叶、后扣带皮质、缘上回上发现更多激活。比赛棋谱与随机棋谱的脑活动比较，则发现在左侧海马旁回有更多激活。因此，研究得出，在记忆再认的活动中，与下棋活动有关的国际象棋组块及其加工在大脑颞叶之中。
表面上看，上述两个研究存在矛盾，即：运用ECD模型的研究发现，大师在下棋时其大脑新皮层激活更多，而业余棋手是颞叶内侧和邻近结构；而运用fMRI技术的研究却发现专家棋手在识记棋谱时，是颞叶区域有更多激活。两个研究之所以得出不同结论，可能在于不同的研究任务，前一研究中是下棋活动，涉及记忆、预测、决策等认知过程；而后一研究中是再认活动，更多与工作记忆有关。同时，在被试选择上，后一研究中的专家棋手的等级分处于1750－2200之间，刚好介于前一研究两组被试之间，因此无法做简单比较。但是，两个研究在这一点上却是相同的，即大脑颞叶区域对国际象棋领域中超常记忆（如组块的生成与提取）起着至关重要的作用。
之所以在某个领域具有超常的记忆能力，除了特殊知识（如组块）之外，还在于获得了专属于这个领域的认知机制，如长时工作记忆中的检索结构的形成与使用。但是，这类特殊领域的检索结构，是否有对应的生理基础呢？一位心算天才R.Gamm（26岁）的超强计算能力和记忆能力得到研究，并与常人做了比较（Pesenti,Zago,Crivello,Mellet,Samson,Duroux,Seron,Mazoyer,& Tzourio-Mazoyer,2001）[25]。在该研究中，被试任务有两类：一是需要通过计算的问题（如68×76＝5168），二是直接从记忆中提取的问题（如2×2＝4）。研究结果表明，在两类问题上，计算天才与常人组一样，都会激活左侧大脑的这些区域：缘上回、顶内沟、枕下回和枕中回、枕叶—颞叶结合部。这些区域主要涉及视觉－空间工作记忆和视觉表象网络，这表明数字的存贮和操作是以视觉短时表征形式来处理。但是，计算天才会激活额外的五个脑区域，即额内叶、海马旁回、扣带回前上部、右侧大脑的枕叶—颞叶结合部、左侧中央旁小叶。这表明计算天才的计算大多与事件记忆有关，存在事件记忆编码以及提取中间结果的现象，这使得他在计算时能快速从长时记忆中存储和提取算术信息。此研究又一次证明了长时工作记忆对领域任务的重要性。
因此，借助脑成像技术，关于人类超常记忆能力可以得出这样的结论：（1）主要由后天所导致，具体来说在于特定的用脑活动方式；（2）与领域内特殊经验密切相关，且可以发现特定知识结构（如组块）和认知机制（如长时工作记忆）对应的脑活动状况。应当指出，这一层面的研究，目前仍然受制于行为层面的研究水平，大多是验证或补充由传统实验室研究所提出的观点，其基本研究思路为：实验心理研究获得结论，提出相应理论，然后借助脑成像技术去寻找生理依据。尽管如此，仍然要给予此层面研究充分的关注与投入，因为一旦获得突破性成绩，那么其对超常记忆研究的意义就是革新性的，乃至颠覆性的。
总结
关于超常记忆之谜，上述三个层面的研究证据已经初步给出一些答案，如后天使然、训练有关、记忆术重要等；再次强调，距离完全揭示谜底这一目标，仍然还有很多任务去做，如记忆术对认知过程的影响、训练时间的安排、实验室任务的生态效度等。目前此领域研究仍然不是很多，今后可能需要研究更多拥有超常记忆的被试，发展出更为有效的实验室技术、计算模拟技术和脑成像技术；通过行为、计算和生理等三个层面的研究及其整合，进一步揭示该类型记忆的实质，尤其是从新手到顶级记忆专家的发展过程，进而为促进个体尽快成为某领域专家提供更有建设意义的科学建议。