Pracovní paměť je teoretický konstrukt v rámci kognitivní psychologie, který odkazuje na struktury a procesy používané pro dočasné ukládání a manipulaci s informacemi. Existuje mnoho teorií jak o teoretické struktuře pracovní paměti (viz „organizační mapa“, která následuje), tak o specifických částech mozku zodpovědných za pracovní paměť. Nicméně většina výzkumníků se shoduje, že pro fungování jsou klíčové frontální kůra, parietální kůra, přední cingul a části bazálních ganglií. Velká část pochopení neurálního základu pracovní paměti pochází z experimentů s lézemi na zvířatech a experimentů se zobrazováním na lidech.
Dnes existují stovky výzkumných laboratoří po celém světě, které studují různé aspekty pracovní paměti. V této oblasti existují četné aplikace pracovní paměti, například využití kapacity pracovní paměti k vysvětlení inteligence a dalších kognitivních schopností, prohloubení porozumění autismu a ADHD, zlepšení výukových metod a vytvoření umělé inteligence založené na lidském mozku.
Termín byl poprvé použit v 60. letech 20. století v souvislosti s teoriemi, které přirovnávaly mysl k počítači. Dříve se to, čemu dnes říkáme pracovní paměť, označovalo jako krátkodobá paměť, někdy také jako primární paměť, okamžitá paměť, operantní paměť nebo prozatímní paměť. Krátkodobá paměť je schopnost zapamatovat si informaci za krátkou dobu (v řádu sekund). Většina dnešních teoretiků používá pojem pracovní paměť k nahrazení nebo zahrnutí staršího konceptu krátkodobé paměti, čímž značí silnější důraz na pojem manipulace s informací namísto pasivní údržby.
Teorie pracovní paměti
Byly navrženy četné modely týkající se fungování pracovní paměti, a to jak anatomicky, tak kognitivně. Z nich tři získaly zřetelné uznání široké veřejnosti.
Model Baddeley a Hitch
Baddeley a Hitch (1974) zavedli a učinili populárním vícesložkový model pracovní paměti. Tato teorie navrhuje, že dva „otrocké systémy“ jsou zodpovědné za krátkodobou údržbu informací a „ústřední výkonný orgán“ je zodpovědný za dohled nad integrací informací a za koordinaci otrockých systémů. Jeden otrocký systém, fonologická smyčka, ukládá fonologické informace (tj. zvuk jazyka) a zabraňuje jejich rozkladu tím, že neustále artikuluje jejich obsah, čímž obnovuje informace ve zkušební smyčce. Může například udržovat sedmimístné telefonní číslo tak dlouho, dokud si člověk číslo opakuje znovu a znovu. Druhý otrocký systém, visuo-prostorový skicák, ukládá vizuální a prostorové informace. Může být použit například pro konstrukci a manipulaci s vizuálními obrazy a pro reprezentaci mentálních map. Skicák může být dále členěn na vizuální subsystém (zabývající se například tvarem, barvou a texturou) a prostorový subsystém (zabývající se polohou). Ústřední výkonný systém (viz výkonný systém) je mimo jiné zodpovědný za směrování pozornosti k relevantním informacím, potlačování irelevantních informací a nevhodných činností a za koordinaci kognitivních procesů, kdy je třeba provést více než jeden úkol současně. Baddeley (2000) rozšířil model přidáním čtvrté složky, epizodického bufferu, který obsahuje reprezentace integrující fonologické, vizuální a prostorové informace a případně informace, které nejsou pokryty podřízenými systémy (např. sémantické informace, hudební informace). Komponenta je epizodická, protože se předpokládá, že váže informace do unitárního epizodického reprezentování. Epizodický buffer připomíná Tulvingův koncept epizodické paměti, ale liší se v tom, že epizodický buffer je dočasným úložištěm.
Cowan nepovažuje pracovní paměť za samostatný systém, ale za součást dlouhodobé paměti. Reprezentace v pracovní paměti jsou podmnožinou reprezentací v dlouhodobé paměti. Pracovní paměť je uspořádána do dvou vložených úrovní. První úroveň se skládá z reprezentací dlouhodobé paměti, které jsou aktivovány. Těch může být mnoho, aktivace reprezentací v dlouhodobé paměti není omezena. Druhá úroveň se nazývá ohnisko pozornosti. Zaměření je považováno za kapacitně omezené a pojme až čtyři z aktivovaných reprezentací. Oberauer rozšířil Cowanův model přidáním třetí komponenty, užšího ohniska pozornosti, které pojme vždy jen jeden kus. Jednoprvkové ohnisko je vloženo do čtyřprvkového ohniska a slouží k výběru jednoho kusu pro zpracování. Například v Cowanově „ohnisku pozornosti“ můžete mít na paměti současně čtyři číslice. Nyní si představte, že chcete provést nějaký proces na každé z těchto číslic, například přidáním čísla dvě ke každé číslici. Pro každou číslici je vyžadováno oddělené zpracování, protože většina jednotlivců nemůže provádět několik matematických procesů paralelně. Oberauerova pozorná komponenta vybere jednu z číslic pro zpracování a pak přesune pozorné ohnisko na další číslici a pokračuje, dokud nejsou všechny číslice zpracovány.
Teorie Ericssona a Kintsche
Zatímco většina dospělých dokáže opakovat asi sedm číslic ve správném pořadí, u některých jedinců došlo k působivému zvětšení rozpětí jejich číslic – až na 80 číslic. Tento výkon je možný rozsáhlým tréninkem na strategii kódování, podle které jsou číslice v seznamu seskupeny (obvykle ve skupinách po třech až pěti) a tyto skupiny jsou zakódovány jako jedna jednotka (kus). K tomu je třeba umět rozpoznat skupiny jako nějaký známý řetězec číslic. Jedna osoba, kterou studoval K. Anders Ericsson a jeho kolegové, například využila jeho rozsáhlé znalosti o závodních časech z historie sportu. Několik takových kusů pak lze spojit do kusu vyššího řádu, čímž se vytvoří hierarchie kusů. Tímto způsobem musí být v pracovní paměti zachován jen malý počet kusů na nejvyšší úrovni hierarchie. Při načítání jsou kusy znovu rozbaleny. To znamená, že kusy v pracovní paměti fungují jako načítací podněty, které ukazují na číslice, které obsahují. Je důležité si uvědomit, že procvičování paměťových dovedností, jako jsou tyto, nerozšiřuje vlastní kapacitu pracovní paměti. To lze prokázat použitím různých materiálů – osoba, která si dokázala vybavit 80 číslic, nebyla výjimečná, pokud šlo o vybavování slov. Ericsson a Kintsch (1995) argumentovali, že zkušenou paměť používáme ve většině každodenních úkolů. Úkoly, jako je například čtení, vyžadují udržovat v paměti mnohem více než sedm kousků – s kapacitou pouhých sedmi kousků by naše pracovní paměť byla po několika větách plná a nikdy bychom nebyli schopni pochopit složité vztahy mezi myšlenkami vyjádřenými v románu nebo vědeckém textu. Dosahujeme toho tak, že většinu toho, co čteme, ukládáme do dlouhodobé paměti a propojujeme je dohromady pomocí struktur k načítání. V pracovní paměti potřebujeme držet jen několik pojmů, které slouží jako podněty k načítání všeho, co je s nimi spojeno, ze struktur načítání. Anders Ericsson a Walter Kintsch označují tento soubor procesů jako „dlouhodobou pracovní paměť“.
Obecně se má za to, že pracovní paměť má omezenou kapacitu. Nejčasnější kvantifikace kapacitního limitu spojeného s krátkodobou pamětí byla „magické číslo sedm“ zavedené Millerem (1956). Všiml si, že paměťové rozpětí mladých dospělých bylo kolem sedmi prvků, nazývaných kousky, bez ohledu na to, zda prvky byly číslice, písmena, slova nebo jiné jednotky. Pozdější výzkum odhalil, že rozpětí závisí na kategorii použitých kousků (např. rozpětí je kolem sedmi pro číslice, kolem šesti pro písmena a kolem 5 pro slova), a dokonce na vlastnostech kousků v rámci kategorie. Například rozpětí je nižší pro dlouhá slova než pro krátká slova. Obecně platí, že paměťové rozpětí pro slovní obsah (číslice, písmena, slova, atd.) silně závisí na době, kterou trvá vyslovení obsahu nahlas, a na lexikálním stavu obsahu (tj. zda obsah jsou slova, která daná osoba zná, nebo ne). Změřené rozpětí osoby ovlivňuje také několik dalších faktorů, a proto je obtížné přiřadit kapacitu krátkodobé nebo pracovní paměti k množství kousků. Nicméně Cowan (2001) navrhl, že pracovní paměť má kapacitu asi čtyř kousků u mladých dospělých (a méně u dětí a starých dospělých).
Měření kapacity pracovní paměti a jejich koreláty
Kapacitu pracovní paměti lze testovat různými úlohami. Běžně používaným ukazatelem je paradigma dvou úloh, které kombinuje ukazatel rozsahu paměti se souběžnou úlohou zpracování. Například, (Daneman & Carpenter, 1980) používal „rozpětí čtení“. Subjekty čtou počet vět (obvykle mezi 2 a 6) a snaží se zapamatovat si poslední slovo každé věty. Na konci seznamu vět opakují slova ve správném pořadí. Jako dobré měřítko kapacity pracovní paměti se ukázaly i další úlohy, které nemají tuto povahu dvou úloh. Otázka, jaké vlastnosti musí mít úkol, aby se kvalifikoval jako dobré měřítko kapacity pracovní paměti, je tématem probíhajícího výzkumu.
Měření kapacity pracovní paměti silně souvisí s výkonem v jiných složitých kognitivních úkolech, jako je čtení s porozuměním, řešení problémů, a s jakýmikoli měřeními inteligenčního kvocientu. Někteří výzkumníci tvrdili, že kapacita pracovní paměti odráží efektivitu výkonných funkcí, především schopnost udržet několik úkolů relevantních reprezentací tváří v tvář rozptylujícím irelevantním informacím. Zdá se, že úkoly odrážejí individuální rozdíly ve schopnosti soustředit se a udržet pozornost, zejména pokud jiné události slouží k upoutání pozornosti. Tyto účinky se zdají být funkcí čelních mozkových oblastí.
Jiní tvrdili, že schopnost pracovní paměti je lépe charakterizována jako schopnost mentálně tvořit vztahy mezi prvky nebo chápat vztahy v dané informaci. Tuto myšlenku prosazoval mimo jiné Graeme Halford, který ji ilustroval naší omezenou schopností chápat statistické interakce mezi proměnnými. Tito autoři požádali lidi, aby porovnali písemná prohlášení o vztazích mezi několika proměnnými s grafy ilustrujícími stejný nebo jiný vztah, například „Je-li dort z Francie, pak má více cukru, je-li vyroben z čokolády, než je-li vyroben ze smetany, ale je-li dort z Itálie, pak má více cukru, je-li vyroben ze smetany, než je-li vyroben z čokolády“. Toto prohlášení popisuje vztah mezi třemi proměnnými (země, složka a množství cukru), což je maximum, které většina z nás může pochopit. Zdánlivý kapacitní limit zde samozřejmě není paměťovým limitem – všechny relevantní informace lze vidět nepřetržitě – ale limitem, kolik vztahů můžeme rozeznat současně.
Bylo navrženo, že kapacitu pracovní paměti lze měřit jako kapacitu C krátkodobé paměti (měřeno v bitech informací), definovanou jako součin individuální mentální rychlosti Ck zpracování informací (v bitech/s) (viz externí odkaz níže na práci Lehrla a Fischera (1990)), a dobu trvání D (v s) informace v pracovní paměti, což znamená dobu trvání paměti. Z toho vyplývá:
Lehrl a Fischer měřili rychlost podle rychlosti čtení. Tvrdili, že C úzce souvisí s obecnou inteligencí. Roberts, Pallier a Stankov však ukázali, že C měří jen o málo více než rychlost čtení. Myšlenka, že kapacita pracovní paměti může být měřena v bitech, byla navíc dlouho zdiskreditována prací Millera (1956), který prokázal, že kapacita pracovní paměti závisí na počtu bloků, nikoliv na počtu bitů (bloky se mohou dramaticky lišit v tom, kolik bitů nesou: sekvence jako „1 0 0 1 0 1 1“ se skládá ze sedmi bloků v hodnotě sedmi bitů – méně než jedno slovo, což je jen jeden blok).
Experimentální studie kapacity pracovní paměti
Školení pracovní paměti
Nedávné studie naznačují, že pracovní paměť lze zlepšit tréninkem u pacientů s ADHD. Tato studie zjistila, že období tréninku pracovní paměti zvyšuje škálu kognitivních schopností a zvyšuje skóre IQ testů. Tato studie proto podporuje předchozí zjištění naznačující, že pracovní paměť je základem obecné inteligence. Zlepšení nebo rozšíření schopnosti pracovní paměti mozku se může ukázat jako spolehlivá metoda pro zvýšení IQ skóre člověka. Nicméně nedávná teorie ADHD uvádí, že ADHD může vést k deficitům pracovní paměti. Jiná studie stejné skupiny ukázala, že po tréninku se naměřená mozková aktivita související s pracovní pamětí zvýšila v prefrontální kůře mozkové, což je oblast, kterou mnoho výzkumníků spojuje s funkcemi pracovní paměti.
Pracovní paměť v mozku
Lokalizace funkcí pracovní paměti
Lokalizace mozkových funkcí u lidí se stala mnohem snazší s příchodem zobrazovacích metod mozku (PET a fMRI). Tento výzkum potvrdil, že oblasti v PFC jsou zapojeny do funkcí pracovní paměti. Během 90. let se mnoho debat soustředilo na různé funkce ventrolaterální (tj. spodní oblasti) a dorsolaterální (vyšší) oblasti PFC. Jeden názor byl, že dorsolaterální oblasti jsou zodpovědné za prostorovou pracovní paměť a ventrolaterální oblasti za nemateriální pracovní paměť. Jiný názor navrhoval funkční rozlišení, argumentoval, že ventrolaterální oblasti jsou většinou zapojeny do čisté údržby informací, zatímco dorsolaterální oblasti jsou více zapojeny do úkolů vyžadujících určité zpracování zapamatovaného materiálu. Debata není zcela vyřešena, ale většina důkazů podporuje funkční rozlišení .
Snímkování mozku také odhalilo, že funkce pracovní paměti se zdaleka neomezují jen na PFC. Přehled četných studií ukazuje oblasti aktivace během úloh pracovní paměti roztroušené po velké části mozkové kůry. Existuje tendence k tomu, že prostorové úlohy nabírají více oblastí pravé hemisféry a verbální a objektová pracovní paměť nabírá více oblastí levé hemisféry. Aktivace během úloh verbální pracovní paměti může být rozdělena na jednu složku odrážející údržbu, v levé zadní parietální kůře a na složku odrážející subvokální nácvik, v levé čelní kůře (Brocova oblast, o níž je známo, že se podílí na produkci řeči)).
Vzniká shoda na tom, že většina úloh pracovní paměti rekrutuje síť PFC a parietálních oblastí. Jedna studie ukázala, že během úlohy pracovní paměti se konektivita mezi těmito oblastmi zvyšuje. Jiné studie prokázaly, že tyto oblasti jsou nezbytné pro pracovní paměť a nejsou jen náhodně aktivovány během úloh pracovní paměti tím, že jsou dočasně blokovány pomocí transkraniální magnetické stimulace (TMS), čímž dochází ke zhoršení výkonu úlohy.
Současná debata se týká funkce těchto oblastí mozku. Bylo zjištěno, že PFC je aktivní v řadě úkolů, které vyžadují výkonné funkce. To vedlo některé výzkumníky k argumentaci, že role PFC v pracovní paměti spočívá v kontrole pozornosti, výběru strategií a manipulaci s informacemi v pracovní paměti, ale ne v údržbě informací. Funkce údržby je přisuzována více zadním oblastem mozku, včetně parietální kůry . Jiní autoři interpretují aktivitu v parietální kůře jako reflexi výkonných funkcí, protože stejná oblast je aktivována i v jiných úkolech vyžadujících výkonnou pozornost, ale bez paměti
Většina mozkových zobrazovacích studií pracovní paměti používala rozpoznávací úlohy, jako je opožděné rozpoznání jednoho nebo několika podnětů, nebo n-back úlohy, při níž každý nový podnět v dlouhé řadě musí být porovnán s jedním předloženým n kroků zpět v řadě. Výhodou rozpoznávacích úloh je, že vyžadují minimální pohyb (stačí stisknout jednu ze dvou kláves), což usnadňuje fixaci hlavy ve snímači. Experimentální výzkum a výzkum individuálních rozdílů v pracovní paměti však používal z velké části úkony vybavování (např. úloha s rozsahem čtení, viz výše). Není jasné, do jaké míry rozpoznávací a vybavovací úlohy odrážejí stejné procesy a stejná kapacitní omezení.
Bylo provedeno několik studií zobrazování mozku s úkolem rozsahu čtení nebo souvisejícími úkoly. Zvýšená aktivace během těchto úkolů byla zjištěna v PFC a v několika studiích také v přední cingulární kůře (ACC). Lidé, kteří si vedli lépe při plnění úkolu, vykazovali větší nárůst aktivace v těchto oblastech a jejich aktivace více korelovala s časem, což naznačuje, že jejich nervová aktivita v těchto dvou oblastech byla lépe koordinovaná, možná díky silnější konektivitě.
Jak mozek udržuje vzpomínky v krátkodobém horizontu?
Za poslední dvě desetiletí jsme se hodně naučili o tom, kde v mozku se provádějí funkce pracovní paměti. Mnohem méně se ví o tom, jak mozek provádí krátkodobou údržbu a cílenou manipulaci s informacemi. Trvalé vypalování určitých neuronů v době zpoždění pracovních paměťových úloh ukazuje, že mozek má mechanismus, jak udržet reprezentace aktivní bez vnějšího vstupu.
Udržet reprezentace aktivní, nicméně, nestačí, pokud úkol vyžaduje udržování více než jednoho kusu informace. Kromě toho, komponenty a rysy každého kusu musí být vázány k sobě, aby se zabránilo jejich promíchání. Například, pokud červený trojúhelník a zelený čtverec musí být zapamatován současně, je třeba se ujistit, že „červený“ je vázán na „trojúhelník“ a „zelený“ je vázán na „čtverec“. Jedním ze způsobů, jak stanovit takové vazby je, že neurony, které reprezentují rysy stejného kusu oheň v synchrony, a ty, které reprezentují rysy patřící do různých kusů oheň mimo synchronizaci . V příkladu, neurony reprezentující zarudnutí by oheň v synchrony s neurony reprezentující trojúhelníkový tvar, ale mimo synchronizaci s těmi, které reprezentují čtvercový tvar. Zatím neexistuje žádný přímý důkaz, že pracovní paměť používá tento vazebný mechanismus, a jiné mechanismy byly navrženy také . Spekulovalo se, že synchronní palba neuronů zapojených do pracovní paměti oscilují s frekvencemi v pásmu theta (4 až 8 Hz). Opravdu, síla theta frekvence v EEG zvyšuje s pracovní paměťovou zátěží , a oscilace v pásmu theta měřené přes různé části lebky se stávají více koordinované, když se osoba snaží pamatovat vazbu mezi dvěma složkami informací .