不同工作记忆训练任务对正常发展儿童流体智力的提升效果：抑制控制的中介效应

《Intelligence》：Differences in working memory training tasks for improving fluid intelligence in typically developing children: The mediation effect of inhibitory control

　　

# 摘要

本研究考察了工作记忆训练（WMT）能否提升6–7岁儿童的抑制控制（IC）能力——以及其神经机制——以及这种提升能否作为WMT迁移到流体智力（Gf）的中介机制。此外，本研究采用了两种不同的WMT任务以探索结果的潜在差异。本研究比较了两种任务：自适应运行记忆广度（RMS）训练和工作记忆动物广度（WMAS）训练。84名儿童被随机分配到两个训练组之一或对照组。在训练前后，儿童完成了抑制控制（IC）任务（同时记录脑电图）以及流体智力（Gf）任务。与对照组相比，两个训练组在后测中表现出不同的反应抑制能力改善，且在瑞文测试中得分更高。然而，两个训练组表现出不同的神经调节模式：WMAS组表现出更大的顶叶P3振幅，反映注意资源分配优化；而RMS组显示出更负的前额叶N2振幅，表明冲突监控增强。本研究还发现，在WMAS组中，反应抑制的改善与Gf的提升相关联，可能代表一个潜在的中介路径，尽管这一效应应谨慎解读，且在RMS组中未观察到该效应。总之，本研究结果表明，WMT可以改善反应抑制能力和Gf；然而，不同的WMT任务可能通过不同的潜在机制促进Gf。

# 引言

流体智力（Gf）是Cattell（1963）提出的两种智力类型之一，指探测复杂关系和解决新颖问题的能力。先前的研究强调了Gf与工作记忆（WM）之间的强关联（例如，Chuderski & Necka, 2012; Shipstead等, 2016）。工作记忆指一种有限容量的系统，能够暂时存储和处理信息，支持高阶认知能力（Baddeley, 2012）。由于工作记忆既依赖于低阶认知控制，又是高阶功能的基础（Moser等, 2018），旨在提高工作记忆容量（WMC）的训练被认为是增强Gf的潜在途径。工作记忆训练（WMT）由重复、系统的工作记忆任务组成，旨在不仅改善信息的保持和操作，还促进更广泛的认知能力，如注意控制、理解和推理（Hicks & Engle, 2020）。从理论角度来看，Engle（2018）认为，WMC与Gf之间的强关联源于它们都依赖于共同的执行注意资源池，这是连接这两个构念的潜在因素。基于这一理论框架，本研究将采用干预研究方法来探讨WMT引起的注意控制改善是否能导致Gf的提升。

工作记忆容量以非线性方式发展，最快的增长发生在幼儿期；在4至7岁之间，显著的发育变化尤为明显（Ahmed等, 2022; Reynolds等, 2022; Ross-Sheehy等, 2021）。同样，工作记忆更新能力在此期间也显著增加（Cheng & Kibbe, 2022）。6–7岁的儿童进入正规学校教育阶段，这一时期随着他们应对学业和社会挑战，对工作记忆容量和Gf提出了新的要求（Finch, 2019）。儿童的认知和神经发育表现出更大的可塑性；认知训练对该群体往往更有效（Melby-Lerv?g & Hulme, 2013; von Bastian & Oberauer, 2013; Wass等, 2012）。然而，WMT在儿童中可靠地产生近迁移效应（对未训练的工作记忆任务），但对Gf和IC的远迁移效应则参差不齐且通常较小（例如，Katz等, 2018; Melby-Lerv?g等, 2016）。这些混合发现凸显了需要阐明WMT在学龄初期儿童中究竟改变了哪些认知机制。

执行注意理论将WMC特征化为一般化注意控制的个体差异，而非仅仅是被动存储（Engle, 2002, 2018）。从这一视角来看，WMC与Gf之间的强关联在很大程度上是因为两者都依赖于维持目标相关信息以及在面对干扰时控制注意的能力（Engle, 2018）。Engle（2002）进一步认为，注意的灵活控制是认知控制的核心，涉及抑制无关信息的同时维持对当前任务目标的关注（Mashburn等, 2021）。这种控制能力与通常所称的抑制控制（IC）密切相关，IC是执行功能的核心组成部分，与儿童的学业成绩和社会适应稳健相关（Cragg等, 2017; Diamond, 2013）。从当代智力与执行功能理论的角度来看，IC被提出作为支持Gf的重要机制。Cattell的开创性工作将Gf定义为独立于先前特定练习或指导的推理和解决新颖问题的能力（Cattell, 1963），随后的论述认为这种推理通常需要抑制优势反应和克服主导思维定势——这些正是IC的核心过程（Barrouillet, 2011; Wang等, 2020）。双加工推理模型进一步支持了这一理论联系，该模型认为最佳表现依赖于抑制直觉但错误的反应（Barrouillet, 2011）。因此，IC不仅是注意控制的一个方面；它是一个合理的候选机制，可能有助于解释WMC与Gf之间已确立的关联（Aydmune等, 2020; Wang等, 2020）。

从发展角度来看，工作记忆和IC高度交织，尤其是在婴儿期和幼儿期，使它们在行为水平上难以区分（Fiske & Holmboe, 2019; Tiego等, 2018）。在神经水平上，工作记忆和IC任务都动员一个共同的前额叶-顶叶网络，该网络从学龄前到学龄初期（5–8岁）经历快速成熟，这一时期以维持目标相关信息能力的改善以及从主要反应性控制向更主动控制的转变为特征（Best & Miller, 2010; Fiske & Holmboe, 2019; Munakata等, 2012）。因此，IC既可以被视为个体差异水平上WMC的核心组成部分，也可以在学龄初期儿童中被视为一种可通过训练修改的可塑性控制过程（例如，Liu等, 2015）。因此，本研究的核心前提在于，尽管IC在结构上是WMC的基本组成部分，但在训练动态的背景下，IC的增强构成了WMT可能影响Gf的一个合理近端机制。

工作记忆的存储和更新可能依赖于重叠但部分不同的机制（Pailian & Alvarez, 2018），它们相关但不等同（Panesi等, 2022）。IC同样不是一个单一功能，而是由多个成分组成。当前的发展框架特别区分了反应抑制和干扰抑制（Mirabella, 2021; Tiego等, 2018）。反应抑制指对优势运动反应的抑制，通常使用停止信号任务（SST）和Go-nogo任务等任务进行评估。相比之下，干扰抑制指解决由无关或不兼容刺激特征引起的反应冲突的能力，通常使用Flanker任务和Simon任务等任务来测量。除了准确率、反应时间和冲突效应等行为指标外，通过事件相关电位（ERP）记录的N2和P3等电生理成分也被广泛用作IC功能的神经营养标志物（Lo, 2018; St. John等, 2019）。额中央N2是与冲突监控相关的负向偏转，而顶叶P3b是反映IC任务中抑制加工和持续注意的正向偏转（Folstein & Van Petten, 2008; Larson等, 2014; Wessel, 2018）。

在儿童的横断面相关研究中发现，3–5岁学龄前儿童的反应抑制与WMC相关，而干扰抑制则不相关（Traverso等, 2015）。干预研究揭示了类似的不对称性。Zhang等（2019）对6岁儿童进行了工作记忆动物广度（WMAS）训练。然而，结果显示对AX-CPT（持续操作任务的AX版本）——一个测量IC的任务——没有迁移效应。Liu等（2023）使用Corsi方块和数字倒背的混合任务对8–10岁儿童实施了WMT。他们的结果显示对反应抑制任务（通过Go-nogo任务评估）有迁移效应，但对干扰抑制（通过Stroop任务测量）没有改善。同样，Wang等（2022）对9–11岁儿童进行了运行记忆广度（RMS）训练；结果显示在Go-nogo任务中N2振幅降低、P3振幅增加和theta能量减少，而在Stroop任务中未观察到此类变化。综合而言，这些发现表明WMT在儿童中更可靠地增强反应抑制而非干扰抑制，尽管许多工作记忆任务也需要过滤无关信息。然而，很少有研究系统地将特定训练任务所强调的工作记忆子成分（例如容量与更新）与它们在儿童样本中影响的IC子成分进行匹配，从而使这些迁移模式的来源不明确。

多种因素导致了不同研究中WMT效果的差异，其中训练任务的差异尤为关键（Gathercole等, 2019; von Bastian & Oberauer, 2014）。虽然许多任务用于测量和训练工作记忆，但它们在关键特征上有所不同。先前的研究表明，复杂广度和n-back任务之间的相关性较弱，且在研究中不可互换（Kane等, 2007; Redick & Lindsey, 2013）。在成人中，n-back训练相比复杂广度训练表现出更广泛的近迁移效应，并且在双重n-back任务期间表现出更大的额叶alpha功率（Blacker等, 2017）。同样，Holmes等（2019）同时使用了n-back和复杂广度训练，发现n-back训练改善了未训练的n-back任务表现，但未发现跨任务迁移的证据。虽然先前比较n-back与复杂广度任务的研究表明n-back训练具有更广泛的迁移效应，但它们并未探索不同任务如何影响训练结果。n-back任务需要识别，而复杂广度任务需要序列回忆（Redick & Lindsey, 2013）。具体来说，复杂广度任务要求在序列完成后完整回忆刺激集合的序列，而n-back任务涉及将每个刺激与n个位置前呈现的项目进行比较（Gathercole等, 2019）。

鉴于这些任务差异，本研究使用RMS和WMAS作为训练任务，因为它们共享相似的任务要求和结构特征，同时允许我们有差别地强调特定的工作记忆子成分。在两种任务中，儿童看到一系列刺激并需要在序列结束后按正确的序列顺序回忆项目，这强烈强调了序列回忆过程而非识别。两种任务都要求儿童快速处理呈现的刺激并抑制对过时或任务无关信息的反应，从而在干扰控制之外调用了反应抑制。RMS保持固定数量的待记项目，并持续用新项目替换旧项目，施加相对较低的存储需求但较高的更新需求，并要求抑制基于过时项目的反应（Zhang等, 2018）。相比之下，WMAS要求儿童在记住越来越长的动物图片序列的同时，对每个动物的朝向做出快速判断（Loosli等, 2012; Zhang等, 2019）。这导致了逐渐增加的存储需求，并要求抑制来自并行加工任务的干扰，其中出现意外朝向的试次需要抑制优势但任务不适当的反应倾向。因此，尽管两种任务都涉及存储和操作，但RMS主要针对更新，而WMAS则更强调干扰下的容量和反应导向的抑制。这种设计使我们能够比较侧重于不同工作记忆子成分的训练如何在6–7岁儿童中迁移到不同的IC过程。

先前关于通过WMT增强IC的研究已展示了年龄特异性效应，大多数训练方案针对8–11岁的儿童（例如，Liu等, 2023; Wang等, 2022）。然而，8岁以下的儿童正处于IC快速发育和神经可塑性增强的时期，但该年龄段的直接证据仍然有限。发展研究表明，年幼儿童在执行抑制任务时动员更广泛且更不专业化的前额叶和顶叶区域，并更多依赖代偿性神经激活以实现与年长儿童相当的表现（Fiske & Holmboe, 2019）。这表明从学龄前到学龄初期的过渡可能代表了一个神经可塑性增强的关键窗口期，在此期间，WMT特别有可能塑造底层IC的前额叶-顶叶网络的成熟。

Participants
中国江苏省南京市某小学的90名一年级儿童参加了本研究。他们被随机分为三组，班级分布和性别均衡。所有儿童均未接受过精神科诊断，未参加过类似研究，也不存在颜色和数字识别方面的障碍。本研究已获得南京大学心理学研究伦理委员会批准（批准号：NJUPSY202209003）。

Informed written consent

Training performance
图2显示了两个组别在训练表现上的改进情况。采用线性混合模型（LMM）分析训练表现随天数的变化。该模型将训练表现作为因变量，训练日（连续变量，范围：1–20）作为固定效应预测变量。为考虑个体在基线表现和学习速度上的差异，为每位参与者分别纳入了训练日的随机截距和随机斜率。该模型是

Task performance improvements in the two groups are shown in Fig. 2. A Linear Mixed Model (LMM) was employed to analyze changes in training performance over days. The model specified training performance as the dependent variable and training day (a continuous variable, range: 1–20) as the fixed-effect predictor. To account for individual differences in baseline performance and learning rates, random intercepts and random slopes for training day were included for each participant. The model was

Discussion
本研究旨在探索工作记忆训练（WMT）对6–7岁儿童流体智力（Gf）和抑制控制（IC）的影响，以及其潜在的神经机制。最稳健且理论上最重要的发现是：与主动对照组相比，两个训练组在任务表现上均表现出显著提升，特别是在抑制反应和更高的瑞文推理测验得分方面（后测），表明WMT能够增强学龄前早期儿童的IC和Gf。在神经层面，两个训练组

CRediT authorship contribution statement
Hong Yan：审阅与编辑、撰写初稿、验证、方法学、形式化分析、数据管理。Renlai Zhou：审阅与编辑、撰写初稿、监督、项目管理、经费获取、概念化。

Informed consent and patient details
已获得所有参与者或其法定监护人签署的书面知情同意，同意参与本研究并发表本文。参与者隐私权已得到尊重。

Studies in human
本研究遵循研究所在地相关法律法规、监管框架和指南。本研究获得南京大学心理学研究伦理委员会批准。（批准号：NJUPSY202209003）

Declaration of competing interest
作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

Acknowledgements
本研究受江苏省重点科技项目（项目编号：BG2025037）和中国教育部基础性与交叉学科突破计划（编号：JYB2025XDXM118）资助。作者衷心感谢所有参与本研究的儿童及其监护人，并感谢江苏省南京金陵中学龙湖分校小学一年级全体教师和工作人员。

Yan Hong | Renlai Zhou
南京大学心理学系，南京 210023，中国