روش های علوم اعصاب شناختی؛ بخش سوم کتاب علوم اعصاب شناختی گازانیگا

داریوش طاهری| به‌روزرسانی: ۴ اردیبهشت ۱۴۰۳

🕒 17 دقیقه

روش های علوم اعصاب شناختی؛ بخش سوم کتاب علوم اعصاب شناختی گازانیگا

راهنمای مطالعه نمایش

امتیازی که به این مقاله می‌دهید چند ستاره است؟

[کل: ۱ میانگین: ۵]

» کتاب علوم اعصاب شناختی مایکل گازانیگا

»» بخش سوم: روش‌های علوم اعصاب شناختی

ویلیام شکسپیر: حتی اگر این دیوانگی باشد، متدی در آن وجود دارد.

Though this be madness, yet there is method in’t. William Shakespeare

روش های علوم اعصاب شناختی؛ بخش سوم کتاب علوم اعصاب شناختی گازانیگا

پرسش‌های اصلی

چرا عصب شناسی شناختی (cognitive neuroscience) یک علم میان رشته‌ای (interdisciplinary field) است؟
روش‌های مختلف مورد استفاده در تحقیقات علوم اعصاب شناختی از نظر تفکیک مکانی و زمانی (spatial and temporal resolution) چه تفاوتی دارند؟
این تفاوت‌ها چگونه بر انواع بینش‌هایی (insights) که می‌توان بیان کرد تأثیر (impact) می‌گذارند؟
کدام روش‌ها بر استنتاج از الگوهای همبستگی (patterns of correlation) تکیه دارند و کدام روش‌ها به دستکاری‌ها (manipulations) اجازه می‌دهند تا فرضیه‌های علی (causal hypotheses) را بررسی کنند؟

در سال ۲۰۱۰، هالوباکتریوم هالوبیوم (Halobacterium halobium) و کلامیدوموناس رینهاردتی (Chlamydomonas reinhardtii) به عنوان بخش جدایی‌ناپذیر اپتوژنتیک (optogenetics) موفق به کسب عنوان روش سال مجله نیچر (“the journal Nature’s “Method of the Year) شد. دانشمندان از این موجودات میکروسکوپی به دلیل پتانسیل آنها برای درمان طیف گسترده‌ای از بیماری‌های عصبی و روانی (neurological and psychiatric conditions) استقبال کردند. تنها چند مثال از آنها: اختلال اضطراب (anxiety disorder)، افسردگی (depression) و بیماری پارکینسون (Parkinson’s disease). چگونه یک باکتری که در آب‌های شور و گرم (warm brackish waters) معلق است و جلبکی (alga) که معمولاً به عنوان لجن برکه (pond scum) شناخته می‌شود به چنین جایگاهی رسیدند؟

داستان آنها در اوایل دهه ۱۹۷۰ آغاز می‌شود، دو بیوشیمیست کنجکاو (curious biochemists)، دیتر اوسترهلت (Dieter Oesterhelt) و والتر استوکنیوس (Walther Stoeckenius)، می خواستند بفهمند که چرا وقتی هالوباکتری از محیط شور خود خارج شد به قطعاتی تبدیل شد که یکی از آنها، رنگ ارغوانی (purple hue) غیرمعمولی به خود گرفت. آنها دریافتند که رنگ ارغوانی به دلیل برهمکنش رتینال (retinal: فرمی از ویتامین A) و پروتئینی است که توسط مجموعه‌ای از «ژن‌های اپسین» (opsin genes) تولید می‌شود که پروتئین حساس به نور (light-sensitive protein) را ایجاد می‌کند. آنها آن را باکتریورودوپسین (bacteriorhodopsin) نامیدند.

این جفت‌شدگی منحصر به‌فرد (particular pairing) محققان را شگفت‌زده کرد. قبلاً چشم پستانداران (mammalian eye)، تنها جایی بود که شکل ترکیبی رتینال و پروتئین اپسین مشاهده شده بود. این جفت‌شدگی به عنوان اساس شیمیایی برای بینایی (vision) عمل می‌کند. با این حال، باکتریورودوپسین در هالوباکتری به عنوان یک پمپ یونی ( ion pump) عمل می کند که انرژی نور را به انرژی متابولیک (metabolic energy) تبدیل می کند زیرا یون ها را از غشای سلولی منتقل می‌کند. در طی ۲۵ سال بعد سایر اعضای این خانواده پروتئینی شناسایی شدند از جمله چنلرودوپسین (channelrhodopsin) از جلبک سبز C. reinhardtii. (G. Nagel و همکاران ۲۰۰۲)

سی سال پس از کشف باکتریورودوپسین (bacteriorhodopsin)، گرو میزنبوک (Gero Miesenböck) دریافت که خواص حساس به نور رودوپسین‌های میکروبی ممکن است آرزوی دیرینه دانشمندان علوم اعصاب را برآورده کند. فرانسیس کریک (Francis Crick)، یک کشف کننده ساختار DNA، بعدها در حرفه‌اش، توجه خود را به مغز معطوف کرد و در صدر فهرست آرزوهای علوم اعصاب او، کشف روشی برای روشن و خاموش کردن انتخابی نورون ها با دقت زمانی زیاد بود. این ابزار محققان را قادر می‌سازد تا مستقیماً چگونگی ارتباط عملکرد نورون‌ها با یکدیگر و کنترل رفتار را بررسی کنند. کریک پیشنهاد کرد که نوری که دقیقاً در پالس‌های زمان‌بندی شده ارسال می‌شود، ممکن است به نوعی به عنوان سوئیچ عمل کند (کریک، ۱۹۹۹) برای این منظور، گرو میزنبوک، ژن رودوپسین‌های میکروبی را در نورون‌ها قرار داد. زمانی که ژن‌ها خود را به عنوان پروتئین‌های حساس به نور بیان کردند، سلول‌های هدف به نور پاسخگو شدند. (زملمن و همکاران، ۲۰۰۲) همان لحظه که سلول را در معرض نور قرار دهید، نورون شلیک می‌کند (پیام عصبی تولید می‌کند).

ثابت شد که ترکیب اولیه گرو میزنبوک دارای محدودیت هایی است، اما چند سال بعد، دو دانشجوی کارشناسی ارشد در استنفورد، کارل دیسروت (Karl Deisseroth) و اد بویدن (Ed Boyden)، بر روی یک پروتئین متفاوت، کانال رودوپسین ۲ (channelrhodopsin-2 :ChR-2) متمرکز شدند. آنها با استفاده از تکنیک گرو میزنبوک، ژن ChR-2 را در یک نورون قرار دادند. هنگامی که ژن ChR-2 درون نورون‌ها قرار گرفت و پروتئین ساخته شد، دیسروت و بویدن آزمایش مهمی را انجام دادند: آنها پرتو نوری را بر روی سلول‌ها تاباندند. بلافاصله سلول‌های هدف شروع به پاسخ دادن کردند. با پالس نور، محققان توانستند به طور دقیق فعالیت عصبی را کنترل کنند. هر پالس نور تولید یک پتانسیل عمل را تحریک می‌کند و هنگامی که پالس متوقف می‌شود، نورون خاموش می‌شود (بویدن و همکاران، ۲۰۰۵). فرانسیس کریک، سوئیچ خود را داشت.

ماجرای اپتوژنتیک، ویژگی‌های ضروری بنیادی‌ترین ابزار همه دانشمندان را به تصویر کشید: روش علمی (scientific method). یک دانشمند با شروع مشاهده یک پدیده (observation of a phenomenon)، فرضیه‌ای توصیفی (explanatory hypothesis) را حدس می‌زند. البته فرضیه‌سازی منحصر به حیطهٔ دانشمندان نیست. به نظر می‌رسد تمایل به توضیح چیزها یکی از ویژگی‌های اساسی ذهن انسان است. با این حال، دانشمند به این فرضیه بسنده نمی‌کند، بلکه از یک فرضیه برای تولید پیش‌بینی‌ها و طراحی آزمایش‌ها برای آزمایش پیش‌بینی‌ها استفاده می‌کند با نتایجی که باعث ایجاد پدیده‌های جدید می‌شود که اجازه می‌دهد چرخه خود را تکرار کند. این رویکرد اساسی – مشاهده (observation)، فرضیه (hypothesis)، پیش‌بینی (prediction)، آزمون تجربی (experimental test) – در قلب همه روش‌ها قرار دارد که در این فصل به آن می‌پردازیم.

دانشمندان دوست دارند روشن کنند که روش علمی مستلزم ناهماهنگی (asymmetry) جالبی است. نتایج تجربی می‌تواند یک فرضیه را رد کند و شواهدی را ارائه دهد که یک ایده غالب نیاز به اصلاح دارد: همانطور که ریچارد فاینمن (Richard Feynman)، فیزیکدان برنده جایزه نوبل، یک بار به طعنه گفت، “استثناها ثابت می‌کنند که این قانون اشتباه است” (Exceptions prove that the rule is wrong) (فاینمن، ۱۹۹۸). با این حال، نتایج نمی‌تواند صحت یک فرضیه را ثابت کند. آنها فقط می‌توانند شواهدی ارائه کنند که ممکن است درست باشد، زیرا همیشه فرضیه‌های جایگزینی (alternative hypotheses) وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند. با این فرآیند مشاهده، شکل‌گیری فرضیه و آزمایش، روش علمی به ما امکان می‌دهد تا درک ما از جهان رشد کند.

حوزه علوم اعصاب شناختی تا حدودی به دلیل ابداع روش‌های جدید پدیدار شد. در این فصل ما طیف وسیعی از روش‌ها را مورد بحث قرار می‌دهیم و توضیح می‌دهیم که هر کدام چگونه کار می‌کنند و چه نوع اطلاعاتی را می‌توانیم با آن به‌دست آوریم، و همچنین محدودیت‌های آن چیست. همچنین مهم است که ماهیت بین رشته‌ای علوم اعصاب شناختی را در نظر داشته باشیم و درک کنیم که چگونه دانشمندان به طور هوشمندانه پارادایم‌ها (paradigms) را در حوزه‌ها (fields) و روش‌ها (methodologies) ادغام کرده‌اند. برای برجسته کردن این ویژگی اساسی علوم اعصاب شناختی، این فصل با نمونه‌هایی از این ادغام به پایان می‌رسد.

۳.۱ روانشناسی شناختی (Cognitive Psychology) و روش‌های رفتاری (Behavioral Methods)

روانشناسی شناختی مطالعه فعالیت ذهنی به عنوان معمای پردازش اطلاعات است. روانشناسان شناختی به دنبال شناسایی پردازش درونی – اکتساب (acquisition)، ذخیره (storage) و استفاده از اطلاعات – هستند که زیربنای رفتار قابل مشاهده است. یک فرض اساسی روانشناسی شناختی این است که ما به طور مستقیم جهان را درک نمی‌کنیم و در آن عمل نمی‌کنیم. به بیان دقیق‌تر، ادراکات (perceptions)، افکار (thoughts) و اعمال ما به دگرگونی‌های درونی یا محاسبات اطلاعات به دست آمده توسط اندام‌های حسی ما بستگی دارد. توانایی ما برای درک آن اطلاعات، تشخیص آن به عنوان چیزی که قبلاً تجربه کرده‌ایم و انتخاب پاسخ مناسب، به تعامل پیچیده‌ای از فرآیندها بستگی دارد.

روان‌شناسان شناختی، آزمایش‌هایی را طراحی می‌کنند تا فرضیه‌های مربوط به عملیات ذهنی را با تنظیم آنچه به مغز می‌رود و سپس مشاهده آنچه بیرون می‌آید، آزمایش کنند. به بیان ساده‌تر، ما اطلاعاتی را به مغز وارد می‌کنیم، دست بر قضا آنجا وقایع مرموزی رخ می‌دهد و رفتار ما بروز داده می‌شود.
روانشناسان شناختی، کارآگاهانی (detectives) هستند که سعی می‌کنند ماهیت این اسرار را کشف کنند.
به عنوان مثال، متن زیر را به مغز خود وارد کنید و ببینیم چه چیزی برداشت می‌شود:

ocacdrngi ot a sehrerearc ta macbriegd ineyurvtis, ti edost’n rtt aem ni awth rreod eht tlteser ni a rwdo rea, eht ylon pirmtoatn gihtn si att h het rift s nda satl t t elre eb ta het ghitr clepa. eht srte anc eb a otlta sesm dan ouy anc itlls arde ti owtuthi moprbel. ihst si cebusea eth nuamh nidm sedo otn arde yrvee telrte yb stifl e, tub eth rdow sa a lohew.

برداشت زیادی نیست، این طور نیست؟ حالا یک مورد دیگر را بررسی کنید:

Aoccdrnig to a rsehee arcr at Cmabrigde Uinervtisy, it deosn’t mtt aer in waht oredr the ltt ee rs in a wrod are, the olny iprmoatnt tihng is taht the fr ist and lsat ltt ee r be at the rghit pclae. Th e rset can be a total mses and you can sitll raed it wouthit porbelm. Tihs is bcuseae the huamn mnid deos not raed ervey lteter by istlef, but the wrod as a wlohe.

عجیب است که خواندن قسمت دوم به طرز شگفت‌آوری آسان است. تا زمانی که حروف اول و آخر هر کلمه در موقعیت صحیح قرار داشته باشند، می‌توانیم به طور دقیق کلمه را حدس بزنیم، به خصوص زمانی که زمینه پیرامون به ایجاد انتظارات کمک می‌کند. نمایش‌های ساده‌ای مانند این به ما کمک می‌کند محتوای بازنمایی‌های ذهنی (Mental Representations) را تشخیص دهیم، و در نتیجه به ما کمک می‌کند تا بینشی در مورد نحوه دستکاری اطلاعات توسط مغز را به‌دست آوریم. به طور خلاصه، دو مفهوم کلیدی زیربنای رویکرد شناختی است:

۱. پردازش اطلاعات به بازنمایی‌های ذهنی بستگی دارد.

۲. این بازنمایی‌های ذهنی دستخوش تغییرات درونی می‌شوند.

بازنمایی‌های ذهنی

ما معمولاً این ایده را بدیهی می‌دانیم که پردازش اطلاعات به بازنمایی‌های ذهنی بستگی دارد. مفهوم «توپ» را در نظر بگیرید. آیا به یک تصویر، یک توصیف زبانی یا یک فرمول ریاضی فکر می‌کنید؟ هر مثال، شکلی دیگر از بازنمایی مفهوم «دایره‌ای» یا «کروی» است و این بازنمایی به سیستم بینایی و شنوایی ما، توانایی ما در درک آرایش فضایی یک منحنی، توانایی ما در درک زبان، یا توانایی ما در درک روابط هندسی و جبری بستگی دارد. مفهوم به دیکته کردن فرمت بازنمایی مناسب‌تر کمک می‌کند. برای مثال، اگر بخواهیم نشان دهیم که توپ از یک تپه می‌غلتد، یک بازنمایی تصویری احتمالاً بسیار مفیدتر از یک فرمول جبری خواهد بود – مگر اینکه در امتحان پایان ترم فیزیک شرکت کنید، جایی که احتمالاً با فرمول بهتر عمل خواهید کرد.

تکلیف تطبیق حروف (A letter-matching task)، که برای اولین بار توسط مایکل پوسنر (Michael Posner) (1986) در دانشگاه اورگن تبیین شد، دلیل قوی ارائه می‌دهد که، حتی با محرک‌های ساده، ذهن بازنمایی‌های متعددی را استخراج می‌کند (شکل ۳.۱). در هر کارآزمایی (trial)، شرکت‌کننده دو حرف را به‌طور همزمان می‌بیند. وظیفه شرکت‌کننده (participant) این است که ارزیابی کند که آیا هر دو حرف صدادار (vowels) هستند یا هر دو بی‌صدا (consonants) هستند و یا یکی صدادار و دیگری بی‌صدا است. اگر حرف‌ها از یک دسته باشند، شرکت‌کننده یک دکمه را فشار می‌دهد و اگر از دسته‌های مختلف باشند، دکمه دیگری را فشار می‌دهد.

تمرین تطبیق حروف

شکل ۳.۱ تمرین تطبیق حروف. (a) شرکت کنندگان یکی از دو دکمه را فشار می‌دهند تا مشخص کنند که حروف به دسته یکسانی تعلق دارند یا خیر. (b) رابطه بین دو حرف روی محور x رسم شده است. این رابطه متغیر مستقل است، متغیری که آزمایشگر در حال دستکاری آن است. زمان واکنش بر روی محور y رسم می‌شود. این متغیر وابسته است، متغیری که آزمایشگر در حال اندازه‌گیری آن است.

یک نسخه از این آزمایش شامل پنج شرط است. در شرط هویت فیزیکی (physical-identity condition)، این دو حرف یکی هستند. در شرط هویت آوایی (phonetic-identity condition)، دو حرف هویت یکسانی دارند، اما یک حرف بزرگ و دیگری کوچک است. دو شرط هم‌رده (same-category conditions) نیز وجود دارد که در آن دو حرف در یک دسته قرار می‌گیرند: در یکی، هر دو حرف صدادار هستند. در دیگری، هر دو حرف بی‌صدا هستند. در نهایت، در شرط دسته‌بندی متفاوت (different-category condition)، این دو حرف از دسته‌های مختلف هستند و می‌توانند از اندازه فونت یکسان یا اندازه‌های متفاوت باشند.

توجه داشته باشید که چهار شرط اول – هویت فیزیکی، هویت آوایی، و دو شرط هم‌رده – به پاسخ «یکسان» نیاز دارند: در هر سه نوع کارآزمایی، پاسخ صحیح این است که دو حرف از یک دسته باشند. با این وجود، همانطور که شکل ۳.۱b نشان می‌دهد، تأخیر پاسخ به‌طور قابل توجهی متفاوت است. شرکت‌کنندگان به شرایط هویت فیزیکی سریع‌ترین پاسخ را می‌دهند، در مرحله بعدی به شرایط هویت آوایی سریع‌ترین پاسخ را می‌دهند و به شرایط هم‌رده‌ای با سرعت کمتری پاسخ می‌دهند، به‌ویژه زمانی که دو حرف هر دو بی‌صدا باشند.

نتایج آزمایش پوسنر نشان می‌دهد که ما بازنمایی‌های متعددی از محرک‌ها استخراج می‌کنیم. ما یک بازنمایی را بر روی جنبه‌های فیزیکی محرک استوار می‌کنیم. در این آزمایش، بازنمایی به صورت بصری از شکل ارائه شده بر روی صفحه استخراج شده است. بازنمایی دوم با هویت حرف مطابقت دارد. این تصور نشان دهنده این واقعیت است که بسیاری از محرک‌ها می‌توانند با یک حرف مطابقت داشته باشند. به عنوان مثال، می‌توانیم تشخیص دهیم که A، a و a همگی یک حرف را نشان می‌دهند. سطح سوم انتزاع نشان دهنده مقوله ای است که یک حرف به آن تعلق دارد. در این سطح، حروف A و E بازنمایی درونی ما را از دسته «صدا» فعال می‌کند. پوسنر معتقد است که تأخیرهای مختلف پاسخ منعکس‌کننده درجات پردازش مورد نیاز برای انجام وظیفه تطبیق حروف است. با این منطق، استنباط می‌کنیم که ابتدا بازنمایی فیزیکی، در مرحله بعد بازنمایی آوایی، و در پایان بازنمایی دسته‌بندی فعال می‌شوند.

آزمایش‌هایی مانند آنچه در شکل ۳.۱ نشان داده شده است شامل دستکاری یک متغیر و مشاهده تأثیر آن بر متغیر دیگر است. متغیر دستکاری شده (manipulated variable)، متغیر مستقل است. آنچه که شما (محقق) کنترل می‌کنید، متغیر مستقل (independent variable) است. در این مثال، رابطه بین دو حرف، متغیر مستقل است که شرایط آزمایش (همسانی، همانندی حروف، صدادار بودن و غیره) را مشخص می‌کند. متغیر وابسته (dependent variable) رویدادی است که شما در حال ارزیابی آن هستید – در این مثال، زمان پاسخ شرکت‌کننده، متغیر وابسته است. هنگام ترسیم نمودار نتایج یک آزمایش (شکل ۳.۱b)، متغیر مستقل را در محور افقی و متغیر وابسته را در محور عمودی نمایش می‌دهید. آزمایش‌ها می‌توانند شامل بیش از یک متغیر مستقل و وابسته باشند.

همانطور که ممکن است شخصاً تجربه کرده باشید، آزمایش‌ها معمولاً وابسته به تعداد سؤالات، پاسخ را ایجاد می‌کنند. چرا قضاوت شرکت‌کنندگان در مورد بی‌صدا بودن دو حرف بیشتر از قضاوت در مورد صدادار بودن دو حرف طول می‌کشد؟ آیا در حروف گفتاری نیز، همان مزیت برای محرک‌های یکسان وجود دارد؟ اگر یک حرف دیده می‌شد و حرف دیگر شنیده می‌شد چه؟ ما می‌توانیم با معرفی متغیرهای مستقل جدید به این سؤالات بپردازیم – برای مثال، می‌توانیم محرک‌های دیداری و شنیداری (visual and auditory stimuli) را با هم مقایسه کنیم تا ببینیم آیا مزیت هویت فیزیکی در شنیدن نیز وجود دارد یا خیر. روانشناسان شناختی به سوالاتی از این دست می‌پردازند و سپس روش‌هایی را برای استنتاج سازوکار ذهن از رفتارهای قابل مشاهده ابداع می‌کنند.

تغییرات داخلی

دومین مفهوم بسیار مهم روانشناسی شناختی این است که بازنمایی‌های ذهنی ما دستخوش تغییرات درونی می‌شوند. این امر زمانی آشکار می‌شود که نحوه ارتباط سیگنال‌های حسی با اطلاعات ذخیره شده در حافظه را در نظر بگیریم. برای مثال، بوی سیر (whiff of garlic) ممکن است شما را به خانه مادربزرگتان یا به کوچه‌ای در پالرموی ایتالیا برساند. در این مثال، مغز شما به نوعی حس بویایی را تغییر داده است به طوری که یک خاطره را فرامی‌خواند.

انجام عمل اغلب مستلزم آن است که برای دستیابی به یک هدف، بازنمایی‌های ادراکی (perceptual representations) را به بازنمایی‌های عملی (action representations) تبدیل کنیم. مثلاً سر سفره شام نان سیر را می‌بینید و بو می‌کنید. مغز شما این احساسات را به بازنمایی‌های ادراکی تبدیل می‌کند و با پردازش آنها، شما را قادر می‌سازد تا در مورد یک اقدام تصمیم بگیرید و آن را انجام دهید – نان را بردارید و در دهان بگذارید. البته توجه داشته باشید که پردازش اطلاعات صرفاً یک فرایند متوالی از احساس تا ادراک و از حافظه تا عمل نیست. حافظه ممکن است نحوه درک ما از چیزی را تغییر دهد. ممکن است سگی را ببینید و با به یاد آوردن یک حیوان خانگی محبوب دوران کودکی، آن را زیبا بدانید و دست دراز کنید تا آن را نوازش کنید. با این حال، اگر سگی در گذشته شما را گاز گرفته باشد، ممکن است در عوض آن را خطرناک تلقی کنید و با ترس به عقب برگردید. نحوه پردازش اطلاعات نیز مشمول محدودیت‌های اساسی است. آیا آن جمله آخر را ثبت کردید یا همه صحبت‌ها در مورد سیر توجه شما را به برنامه‌های شام معطوف کرد؟ روانشناسی شناختی به این موضوع می‌پردازد که چگونه بازنمایی‌ها را دستکاری می‌کنیم.

توصیف نحوه عملکرد تغییرات

فرض کنید به فروشگاه مواد غذایی می‌رسید و متوجه می‌شوید که فراموش کرده‌اید فهرست خرید خود را بیاورید. می‌دانید که به قهوه و شیر نیاز دارید، اما دلیل اصلی آمدنتان چه چیز بود؟ همانطور که در راهروها گشت و گذار می‌کنید، قفسه‌ها را اسکن می‌کنید، امیدوارید چیزی حافظه شما را تحریک کند. آیا کره بادام زمینی تمام شده است؟ چند عدد تخم مرغ باقی‌مانده است؟

همانطور که یاد گرفتیم، هدف اساسی روانشناسی شناختی، شناسایی نحوه عملکرد یا تغییرات ذهنی مختلف است که برای انجام وظایفی مانند این مورد نیاز است. وظایف بازیابی حافظه بر تعدادی از قابلیت‌های شناختی استوار است.

سائول استرنبرگ (Saul Sternberg) (1975) یک کار آزمایشی را معرفی کرد که شباهت زیادی به مشکلی دارد که یک خریدار غافل با آن مواجه است. با این حال، در تکلیف استرنبرگ (Sternberg’s task)، کار به یاد آوردن موارد ذخیره شده در حافظه نیست، بلکه مقایسه اطلاعات حسی با بازنمایی‌هایی است که در حافظه فعال هستند. در هر کارآزمایی، شرکت‌کننده مجموعه‌ای از حروف را برای حفظ کردن می‌بیند (شکل ۳.۲a). مجموعه حافظه می‌تواند شامل یک، دو یا چهار حرف باشد. سپس او یک حرف واحد را می‌بیند و باید تصمیم بگیرد که آیا این حرف بخشی از مجموعه حفظ شده است یا خیر. او یک دکمه را فشار می‌دهد تا نشان دهد هدف بخشی از مجموعه حافظه است (پاسخ «بله») و دکمه دوم را برای نشان دادن اینکه هدف بخشی از مجموعه نیست (پاسخ «نه»). بار دیگر، متغیر وابسته اولیه زمان واکنش است.

استرنبرگ فرض کرد که برای پاسخ به این کار، شرکت‌کننده باید در چهار عملیات ذهنی اولیه شرکت کند:

۱. رمزگذاری (Encoding). شرکت کننده باید هدف قابل مشاهده را شناسایی کند.

۲. مقایسه کردن (Comparing). شرکت کننده باید بازنمایی ذهنی هدف را با بازنمایی آیتم های موجود در حافظه مقایسه کند.

۳. تصمیم‌گیری (Deciding). شرکت کننده باید تصمیم بگیرد که آیا هدف با یکی از موارد حفظ شده مطابقت دارد یا خیر.

۴. پاسخ دادن (Responding). شرکت‌کننده باید به تصمیمی که در مرحله ۳ گرفته شده پاسخ مناسب بدهد.

با فرض مجموعه‌ای از اقدامات ذهنی، می‌توانیم آزمایش‌هایی را برای کشف نحوه انجام آن‌ها توسط شرکت‌کنندگان طراحی کنیم.

یک سوال اساسی برای استرنبرگ این بود که چگونه کارایی حافظه بازشناسی (recognition memory) را توصیف کند. با فرض اینکه مغز ما به طور فعال همه موارد موجود در مجموعه حافظه را نشان می‌دهد، فرآیند بازشناسی ممکن است به یکی از دو روش وارد عمل شود: یک سیستم بسیار کارآمد ممکن است به طور همزمان یک بازنمایی از هدف را با تمام موارد موجود در مجموعه حافظه مقایسه کند. یا، فرآیند بازشناسی ممکن است بتواند تنها مقدار محدودی از اطلاعات را در هر مقطع زمانی مدیریت کند. برای مثال، ممکن است پی‌درپی سیستم نیاز به مقایسه هدف با هر آیتم در حافظه داشته باشد.

استرنبرگ متوجه شد که داده‌های زمان واکنش می‌تواند بین این دو گزینه تمایز قائل شود. اگر فرآیند مقایسه می‌تواند برای همه موارد همزمان باشد – یک فرآیند موازی (a parallel process) – آنگاه زمان واکنش باید مستقل از تعداد آیتم‌های مجموعه حافظه باشد. اما اگر فرآیند مقایسه به صورت متوالی (sequential) یا سریالی (serial) عمل کند، با بزرگتر شدن مجموعه حافظه، زمان واکنش باید کاهش یابد [مترجم: داریوش طاهری؛ به نظر می‌آید نویسنده می‌بایست بیان کند افزایش می‌یابد.]، زیرا زمان بیشتری برای مقایسه یک آیتم با یک لیست حافظه بزرگ نیاز است تا یک لیست حافظه کوچک. نتایج استرنبرگ به طور قانع کننده‌ای از فرضیه سریال (serial hypothesis) پشتیبانی می‌کند. در واقع، زمان واکنش به روشی ثابت یا خطی با اندازه مجموعه افزایش می‌یابد، و عملکرد برای کارآزمایی‌های «بله» و «نه» اساساً یکسان بودند (شکل ۳.۲b).

شکل 3.2 کار مقایسه حافظه

شکل 3.2 نمودار کار مقایسه حافظه شکل ۳.۲ تکلیف مقایسه حافظه (Memory comparison task). (a) مجموعه‌ای از یک، دو یا چهار حرف به شرکت‌کننده ارائه می‌شود و از شرکت‌کننده خواسته می‌شود تا آنها را حفظ کند پس از تأخیر، کاوشگر یک حرف را ظاهر می‌‌کند و شرکت‌کننده نشان می‌دهد که آیا آن حرف عضوی از مجموعه حافظه بوده است یا خیر. (b) زمان واکنش با اندازه مجموعه افزایش می‌یابد، که نشان می‌دهد حرف هدف با مجموعه حافظه به‌طور متوالی مقایسه می‌شود نه موازی.

اگرچه به نظر می‌رسد مقایسه حافظه یک فرآیند سریالی باشد، بسیاری از فعالیت‌های ذهن ما به صورت موازی عمل می‌کند. یک نمایش کلاسیک از پردازش موازی، اثر برتری واژه (word superiority effect) است (ریچر، ۱۹۶۹). در این آزمایش، شرکت‌کنندگان به طور خلاصه یک محرک را می‌بینند و سپس تصمیم می‌گیرند که کدام یک از دو حرف هدف (مانند A یا E) را ببینند. محرک مجموعه‌ای از حروف است که می‌تواند یک کلمه، یک گروه بی‌معنا یا گروهی باشد که در آن هر حرف به جز حرف هدف، یک X است (شکل ۳.۳). سؤالات مهم بر این موضوعات متمرکز هستند: آیا زمینه بر عملکرد تأثیر می‌گذارد، آیا زمان ارائه کوتاه است و آیا خطا رخ خواهد داد.

شکل ۳.۳ اثر برتری واژه. زمانی که حرف صدادار در یک کلمه جاسازی شده است، شرکت کنندگان در شناسایی آن هدف، دقت بیشتری دارند. این نتیجه نشان می‌دهد که سطوح بازنمایی حرف و کلمه به صورت موازی فعال می‌شوند.

عبارت اثر برتری واژه به این واقعیت اشاره دارد که شرکت کنندگان در تشخیص حرف هدف زمانی که محرک یک کلمه باشد، بیشترین دقت را دارند. همانطور که قبلاً دیدیم، این یافته نشان می‌دهد که قبل از تشخیص کلمه، نیازی به شناسایی تمام حروف یک کلمه نیست. در عوض، هنگام خواندن فهرستی از کلمات، بازنمایی‌هایی را فعال می‌کنیم که با حروف جداگانه و کل کلمه به صورت موازی برای هر مورد مطابقت دارند. پردازش موازی عملکرد ما را تسهیل می‌کند زیرا هر دو تصور می‌توانند اطلاعاتی در مورد وجود حرف هدف ارائه دهند.

محدودیت در پردازش اطلاعات

در آزمایش شکل ۳.۲، شرکت کنندگان قادر به مقایسه آیتم مورد نظر با تمام موارد موجود در مجموعه حافظه به طور همزمان نبودند. یعنی توانایی پردازش آنها محدود بود. هر زمان که محدودیتی را شناسایی می‌کنیم، سوال مهمی که باید بپرسیم این است که آیا این محدودیت مختص سیستمی است که در حال بررسی (در این مورد حافظه) است یا اینکه یک محدودیت پردازش عمومی‌تر است. افراد می‌توانند تنها مقدار معینی از پردازش‌های داخلی را در هر زمان انجام دهند، اما ما محدودیت‌های کاربرد خاص را نیز تجربه می‌کنیم. مجموعه خاصی از عملیات ذهنی مرتبط با یک کار خاص، محدودیت‌های پردازش را تعریف می‌کند. برای مثال، اگرچه مقایسه (مورد ۲ در فهرست استرنبرگ) یک آیتم کاوشگر با مجموعه حافظه ممکن است به یک عملیات سریالی نیاز داشته باشد، اما ممکن است وظیفه رمزگذاری (مورد ۱ در لیست استرنبرگ) به صورت موازی انجام شود. بنابراین مهم نیست، آیا کاوشگر به خودی خود ارائه شده است یا در میان فهرستی از محرک‌های رقیب.

بررسی محدودیت‌ها در انجام تکلیف، دغدغه اصلی روانشناسان شناختی است. یک تکلیف ساده نامگذاری رنگ (color-naming task) را در نظر بگیرید – که در اوایل دهه ۱۹۳۰ توسط ج. آر. استروپ (J. R. Stroop)، یک دانشجوی مشتاق دکترا (۱۹۳۵؛ برای بررسی، نگاه کنید به مک‌لود (MacLeod) 1991) ابداع شد – که به یکی از پرکاربردترین تکالیف در روانشناسی شناختی تبدیل شد و در این کتاب دوباره به آن اشاره خواهیم کرد. تکلیف استروپ (Stroop task) به این صورت است که لیستی از کلمات به شرکت‌کننده ارائه می‌شود. سپس از او درخواست می‌شود که رنگ هر کلمه را در سریع‌ترین زمان ممکن نام ببرد. همانطور که شکل ۳.۴ نشان می‌دهد، وقتی کلمات با رنگ جوهر مطابقت دارند، این کار بسیار آسان‌تر است.

شکل ۳.۴ تکلیف استروپ. زمانی که روی هر ستون کار می‌کنید، زمان خود را تعیین کنید و رنگ جوهر هر محرک را در سریع‌ترین زمان ممکن نامگذاری کنید. با فرض اینکه برای محو کردن کلمات چشم دوخته‌اید، خواندن ستون اول و دوم آسان است اما خواندن ستون سوم بسیار دشوار است.

نتیجه استروپ به خوبی تعدد بازنمایی‌های ذهنی را نشان می‌دهد. به نظر می‌رسد که محرک‌ها در این تکلیف حداقل دو بازنمایی قابل تفکیک را فعال می‌کنند. یک بازنمایی مربوط به رنگ هر محرک است. این چیزی است که به شرکت‌کننده اجازه می‌دهد تا تکلیف را انجام دهد. بازنمایی دوم مربوط به مفهوم رنگ مرتبط با هر کلمه است. زمانی که رنگ جوهر و کلمات با هم تطابق ندارند، شرکت‌کنندگان در نام‌گذاری رنگ‌ها کُندتر عمل می‌کنند، که نشان می‌دهد بازنمایی دوم فعال می‌شود، حتی اگر به تکلیف نامربوط باشد. در واقع، به نظر می‌رسد فعال‌سازی یک بازنمایی بر اساس کلمه به جای رنگ کلمه خودکار باشد.

نتیجه استروپ حتی پس از هزاران کارآزمایی تمرینی نیز پایدار بوده و دوام آورده است، زیرا خوانندگان ماهر سال‌ها در تجزیه و تحلیل دسته حروف برای معنای نمادین آنها تمرین کرده‌اند. با این حال، می‌توانیم به جای پاسخ صوتی، با فشار دادن کلید، تداخل کلمات را کاهش دهیم. از این‌رو، بازنمایی‌های مبتنی بر کلمه ارتباط نزدیکی با سیستم پاسخ صوتی (vocal response system) دارند و هنگامی که پاسخ‌ها به صورت دستی تولید می‌شوند تأثیر کمی دارند.