Рабочая память человека: как она устроена и какой у неё объём

Из этой статьи вы узнаете:

• что современная наука понимает под рабочей, или оперативной, памятью и почему кратковременная память и рабочая — не одно и то же;
• как устроена самая знаменитая модель рабочей памяти и какие есть альтернативные представления о ней;
• сколько информации помещается в рабочей памяти одновременно;
• как связаны рабочая память и внимание;
• как рабочая память влияет на обучение и как учесть её ограничения, чтобы учить эффективнее.

Что называют рабочей памятью

Под рабочей памятью в современной науке принято понимать систему, которая на короткое время сохраняет ограниченный объём информации и непосредственно обрабатывает её при решении различных когнитивных задач. Например, сейчас, когда вы читаете этот текст, этим занята как раз ваша рабочая память. Иногда её называют также оперативной, по аналогии с системой временного хранения данных в компьютере, но в науках о человеке этот термин широко не используется.

Рабочая память тесно связана с уровнем общего интеллекта, а также способностями понимать текст, рассуждать, планировать, принимать решения и учиться.

Говоря о функциях рабочей памяти, исследователи из Университета Миссури в Колумбии (США) приводят такой пример. Предположим, учительница сказала классу, что Земля — третья планета от Солнца, и вызвала одного из учеников к доске, чтобы тот показал Землю на карте Солнечной системы. Задача кажется очень простой, но на самом деле она состоит сразу из нескольких умственных операций.

Ученику нужно держать в голове, во-первых, местонахождение Земли (третья планета от Солнца), во-вторых — само задание. Выполнить его предстоит на глазах у всего класса, а значит, ученика могут беспокоить мысли, как бы не ударить в грязь лицом. У доски ему нужно помнить, что начинать отсчёт надо не с самого Солнца, а от ближайшей к нему планеты, что следует остановиться, достигнув числа «три», и дождаться обратной связи от учительницы — чтобы она подтвердила правильность ответа. Все эти когнитивные процессы происходят практически одновременно и конкурируют за ограниченные ресурсы рабочей памяти.

Интересный факт — самое раннее использование термина «рабочая память» может быть связано вовсе не с изучением работы мозга, а с разработкой ПО для компьютеров. Так Аллен Ньюэлл и Герберт Саймон называли структуры, временно удерживающие информацию для выполнения команд, в разработанной ими в 1956 году программе Logic Theory Machine (кстати, это был один из первых прототипов искусственного интеллекта).

В 1960 году рабочей памятью психологи-бихевиористы Джордж Миллер, Юджин Галантер и Карл Прибрам назвали часть памяти, которая отвечает за хранение информации, необходимой человеку для повседневного функционирования. Например, у человека есть цель — хорошо выступить на работе с презентацией.

У этой цели есть промежуточные подцели — подготовиться к выступлению, разослать напоминания коллегам, не проспать, собраться и вовремя приехать на работу. Человек, конечно, не думает обо всех этих шагах постоянно, но необходимую информацию ему всё-таки нужно держать в голове. Однако это не совсем то, что сейчас называется рабочей памятью в когнитивной психологии.

В чём разница между кратковременной и рабочей памятью

На заре развития психологии появилось представление о том, что у человека есть два типа памяти: кратковременная и долговременная. В 1890 году американский философ и психолог Уильям Джеймс выделил первичную память, отвечающую за осознание текущих событий, и вторичную, в которой хранятся воспоминания об отдалённом прошлом. Множество учёных на протяжении XX века принимали это разделение за основу при разработке собственных теоретических моделей памяти.

Одну из самых проработанных и распространённых моделей памяти своего времени представили психологи Ричард Аткинсон и Ричард Шиффрин в 1968 году. Они предположили, что память состоит из трёх постоянных компонентов:

• Сенсорный регистр принимает информацию от органов чувств (зрение, слух, осязание, обоняние, вкус) и фиксирует её на доли секунды.
• Кратковременное хранилище «записывает» информацию из сенсорного регистра и сохраняет её на 15–30 секунд — если человек сознательно не повторяет её, чтобы задержать в памяти.
• Долговременное хранилище отличается от двух предыдущих структур тем, что информация в нём не исчезает со временем и может храниться на протяжении всей жизни человека.

Модель Аткинсона и Шиффрина предполагает, что за перенос информации из одного компонента памяти в другой отвечают механизмы, которые избирательно «копируют» данные из сенсорного регистра в кратковременное хранилище, а оттуда — в долговременное. Таким же образом, согласно этой теории, человек обращается к долговременному хранилищу, «доставая» из него нужные данные (так, например, мы вспоминаем чей-то номер телефона, чтобы набрать его, или какую-то формулу, чтобы решить задачу) и возвращая их в кратковременное.

Однако впоследствии представление о структуре, которая лишь временно сохраняет информацию, то есть до её забывания или переноса в долговременную память, эволюционировало. Появилось понимание, что такая система не просто хранит информацию, но и совершает с ней различные операции. Так появилось терминологическое разделение между кратковременной памятью и рабочей.

По словам кандидата психологических наук, научного сотрудника лаборатории когнитивных исследований ЯрГУ им. П. Г. Демидова Анны Савиновой, под кратковременной памятью принято понимать собственно хранилище, куда информация «записывается» на срок меньше минуты. Правда, насчёт сроков есть и другие трактовки — например, нейрофизиолог Вячеслав Дубынин называет кратковременной «память текущего дня» (также иногда этот вид памяти называют среднесрочной).

Систему, которая не только хранит, но и обрабатывает информацию, стали называть рабочей памятью. Принято считать, что в ней данные хранятся столько, сколько требуется для решения актуальной задачи. Например, всё то время, пока ученик показывает у доски Землю на карте Солнечной системы. А если ученик решает задачу, допустим, по физике на протяжении десяти минут, то всё это время, пока он на ней сфокусирован, в его рабочей памяти будут храниться условия задачи, нужные формулы (извлечённые для этого из долговременной памяти, если он изучил их ранее, или только что изученные) и уже выполненные шаги по решению.

Читайте также:

Почему то, что наспех выучено накануне экзамена, быстро забывается?

Как устроена рабочая память

В 1974 году британские психологи Алан Бэддели и Грэм Хитч, развивая модель Аткинсона — Шиффрина, представили одну из самых распространённых сейчас теорий рабочей памяти — мультикомпонентную модель. Изначально она состояла из трёх основных компонентов, но в 2000 году Бэддели пересмотрел и расширил модель, добавив в неё четвёртый компонент. Итак, вот из чего состоит рабочая память, по версии Бэддели и Хитча:

• Центральный управляющий элемент, или центральный исполнитель (термин зависит от перевода), в целом регулирует когнитивные процессы. Согласно теории Бэддели и Хитча, он отвечает за избирательное внимание и торможение автоматических реакций, благодаря чему человек может фокусироваться на текущей задаче, не отвлекаясь на посторонние стимулы. Также центральный исполнитель координирует работу подчинённых систем — фонологической петли, визуально-пространственного блокнота и эпизодического буфера.
• Фонологическая петля (или фонологический цикл) обрабатывает звуковую информацию — в первую очередь вербальную, то есть речь. Поэтому этот компонент, согласно Бэддели, играет очень важную роль в освоении языка ребёнком, а также в изучении иностранных языков. Этот компонент состоит из двух взаимосвязанных подсистем: фонологического хранилища, которое на считаные секунды фиксирует услышанные звуки, и артикуляционной петли, которая, по сути, представляет собой внутренний голос, проговаривающий звуки про себя и помогающий запомнить их на более долгий срок. Когда человек не слушает речь, а читает текст, артикуляционная петля тоже преобразует эту информацию в фонологическую — таким же внутренним проговариванием.
• Визуально-пространственный блокнот (или визуально-пространственный набросок) отвечает за обработку всей визуальной информации, кроме вербальной, и пространственных представлений — проще говоря, окружающей обстановки, картинок, образов. По утверждению Бэддели, этот компонент способен активироваться параллельно с фонологическим циклом, обрабатывающим звуковую информацию, и при этом ни одна из подсистем не затрудняет работу другой. Благодаря этому человек может одновременно обрабатывать вербальную и образную информацию — допустим, слушая преподавателя, смотреть на картинки и графики на его презентации. На этой особенности рабочей памяти основана и теория двойного кодирования. Согласно ей, человек лучше понимает и запоминает информацию, когда она представлена одновременно и словами, и визуальными образами.
• Эпизодический буфер — это тот компонент, который Бэддели включил в теорию рабочей памяти через 25 лет после её первой публикации в 1974 году. Он понадобился, чтобы учесть явления, которые исходная модель не могла объяснить. Например, почему осмысленные фразы запоминаются лучше и в большем объёме, чем набор несвязанных слов. Бэддели предположил, что есть механизм, который связывает информацию, поступающую из разных сенсорных систем (слова, звуки, образы, даже запахи и вкусы), и формирует из них целостное мнемоническое образование — некую историю, событие из жизни, сцену из фильма и так далее. Этот механизм также связывает новую информацию с той похожей, что уже хранится в нашей долговременной памяти. По мнению психолога, благодаря этому механизму у нас в сознании формируются новые концепции.

Как пишет Бэддели, все три подчинённые центральному исполнителю системы участвуют в накоплении знаний, взаимодействуя с соответствующими системами долговременной памяти. Так, визуально-пространственный блокнот связан с визуальной семантикой (то есть смысловыми значениями образов), фонологическая петля — со знанием языка, а эпизодический буфер — с воспоминаниями о событиях.

Но это далеко не единственная модель устройства рабочей памяти. Более того, некоторые исследователи вообще не выделяют рабочую память как отдельный механизм. Например, психологи Андерс Эрикссон и Уолтер Кинч в 1995 году предположили, что в долговременной памяти существуют структуры, которые обеспечивают непосредственный доступ к «записанной» там информации для решения текущих задач.

Американский психолог Нельсон Коуэн тоже придерживается позиции, что рабочая память — это лишь функциональность долговременной памяти. Его модель подразумевает, что из всех представлений, хранящихся в долговременной памяти, в определённый момент активируется очень небольшое число объектов, на которых в этот момент сфокусировано внимание. А управляют фокусом внимания, согласно Коуэну, центральные исполнительные процессы.

Вообще, по словам Анны Савиновой, притом что теоретических моделей рабочей памяти довольно много, ни одну из них нельзя назвать универсальной и объясняющей все феномены. У каждой есть свои сильные и слабые стороны. Например, та же модель Бэддели — Хитча имеет очень общий характер и плохо объясняет различные феномены восприятия. В то же время, как отмечает Анна, она всё ещё широко используется в описании высокоуровневых познавательных процессов, таких как решение задач, рассуждение и принятие решений.

Что известно о ёмкости рабочей памяти

Ёмкостью рабочей памяти называют объём информации, которую человек может одновременно удерживать и обрабатывать для решения текущей задачи. Учёные сходятся на том, что в среднем этот объём очень небольшой, он возрастает от детства к зрелому возрасту и снижается к старости. К тому же этот объём не фиксирован: значительные умственные усилия способны его истощить, и для восстановления работоспособности потребуется некоторое время отдыха.

При этом в науке есть разные объяснения, как и чем этот объём определяется.

Сторонники теории ячеек (или слотов) предполагают, что рабочая память вмещает ограниченное число элементов, таких как цифры, буквы, слова и визуальные объекты. Если это количество превышается, «лишние» элементы рабочая память не зафиксирует. То есть, условно, будет эффект «в одно ухо влетело, в другое вылетело».

Долгое время в науке доминировало представление Джорджа Миллера о «магическом числе» 7 ± 2 (то есть от пяти до девяти). В опубликованной в 1956 году статье психолог утверждал, что именно столько элементов информации (например, слов, чисел) взрослый человек может повторить в правильном порядке сразу после ознакомления с ними. Однако в 2001 году Нельсон Коуэн предположил, что это число ещё меньше — 4 ± 1 (то есть от трёх до пяти).

Это, конечно, не означает, что в реальной жизни человек способен оперировать лишь четырьмя-пятью буквами или цифрами одновременно. Наше сознание умеет обходить ограничения рабочей памяти с помощью мнемонических техник, таких как группировка.

Группировка, или свёртывание (по англ. chunking, от слова chunk, «кусок»), подразумевает, что несколько отдельных элементов соединяются в памяти в целостный блок, который становится единым элементом для запоминания. Например, набор цифр 29071954 запомнится гораздо легче, если представить его как дату — 29 июля 1954 года. По такому же принципу будет проще сохранить в памяти телефонный номер, если разбить десятизначную последовательность на четыре блока вида xxx-xxx-xx-xx.

Применение группировки во многом обусловлено индивидуальным опытом человека и имеющимися у него знаниями, особенностями языка и культуры. Так, по словам Анны Савиновой, для человека, хорошо знакомого с конкретным текстом, цитата из него будет цельным блоком информации, а для того, кто видит этот текст впервые, — последовательностью слов, то есть отдельных элементов. Потому что в первом случае рабочая память «подгрузит» нужные данные из долговременного хранилища.

Теория ячеек подразумевает, что в рабочей памяти действует бинарная логика — либо каждый новый элемент занял «свободное место» в памяти, либо память совершенно его не зафиксировала. Другого подхода придерживаются сторонники более новой ресурсной теории. В 2014 году психологи Вей Джи Ма, Масуд Хусейн и Пол Бейс, ссылаясь на результаты исследований, отметили, что точность запоминания уменьшается, когда возрастает число элементов, которые требуется запомнить. При этом наиболее значимые элементы (например, необходимые для решения задачи) запоминаются лучше — за счёт ухудшения запоминания остальных. То есть рабочая память избирательна: то, что в ней сохранится, а что будет отброшено, определяется не случайным образом, а приоритетностью одних элементов перед другими. Чем выше приоритет у того или иного элемента, тем точнее он запомнится. На элементы с низким приоритетом ресурса останется меньше, а значит, запомнятся они хуже.

В 2017 году группа исследователей из Чикагского университета провела серию интересных экспериментов. В одном из них на экране на долю секунды появлялись цветные квадраты (от одного до шести), затем демонстрировался пустой экран. После этого испытуемым студентам нужно было вспомнить цвета увиденных квадратов и как можно точнее подобрать оттенки на цветовом круге. «Раскрашивать» квадраты можно было в любом порядке.

Оказалось, что в первую очередь студенты подбирали цвет того квадрата, который запомнили лучше всего. Уже ко второму квадрату точность подбора оттенка значительно снижалась, а цвета пятого и шестого квадратов практически все испытуемые выбирали наугад. Это говорит в пользу того, что ресурс рабочей памяти действительно распределяется неравномерно — одни элементы мы запоминаем лучше, чем другие. При этом число элементов, которые человек в принципе способен удержать в рабочей памяти, соотносится с предложенным Коуэном числом 4 ± 1 (то есть от трёх до пяти).

Читайте также:

«Мозг работает только на 10%» и ещё семь антинаучных нейромифов

Как связаны рабочая память и внимание

В 2019 году когнитивный психолог и профессор Цюрихского университета Клаус Оберауэр изучил существующие теории о том, как связаны между собой внимание и память, сопоставил их с результатами экспериментов и сформулировал полученные выводы в статье.

Так, в хорошо знакомой нам обстановке мы не обращаем внимания на привычные фоновые стимулы — например, на шум проносящихся за окном автомобилей. Но только до тех пор, пока не появится стимул, который выделяется среди остальных, — например, резкий визг тормозов и звук удара машин. Тогда внимание сосредоточится именно на этом стимуле — это называется перцептивным вниманием.

Однако это ещё не значит, что рабочая память обязательно сохранит и обработает этот сигнал. Для этого очень важно сознательное намерение. Например, эксперимент 2016 года показал: участники могут внимательно отслеживать движение объекта на экране среди отвлекающих элементов. Но если затем неожиданно спросить у испытуемых, какого цвета был этот объект, большинство ошибается. Другой похожий эксперимент привёл к тем же результатам, а также показал, что если предупредить участников, что после первого задания им нужно будет ответить на такой-то вопрос, результаты оказываются гораздо лучше.

В серии экспериментов 2018 года сам Оберауэр демонстрировал испытуемым шесть слов, одно за другим, а после каждого слова давалась подсказка — нужно ли запомнить это слово или можно его забыть. То есть непосредственно в момент демонстрации каждое слово требовало внимания, ведь участники эксперимента в этот момент ещё не могли знать, нужно ли им зафиксировать его в памяти. В итоге исследователь обнаружил, что испытуемые действительно запоминали только релевантные слова, а остальные не занимали ёмкость их рабочей памяти. То есть мозг использует ограниченный объём рабочей памяти экономно.

По словам Оберауэра, это позволяет утверждать, что перцептивное внимание (напомним — это внимание к отдельным сигналам в окружающем потоке информации) способствует попаданию этих сигналов в рабочую память, но не гарантирует, что они туда попадут. Поэтому рабочую память он называет формой контролируемого внимания — она отбирает среди внешних стимулов и «достаёт» из долговременной памяти то, что необходимо ​​для решения текущей задачи, а всё ненужное отсеивает.

Вероятно также, что представления, которые фокусируют наше внимание на тех или иных стимулах (например, инструкции к учебному заданию, которое предстоит сейчас выполнить), хранятся в рабочей памяти, только если текущая задача для нас новая. Если задача неоднократно повторяется, то информация, необходимая для её решения, переносится в долговременную память. Это показывают, например, эксперименты с задачами на визуальный поиск — когда среди нескольких разных объектов испытуемым нужно найти взглядом конкретный по цвету и форме объект.

При повторении этого упражнения испытуемые каждый раз справляются с ним всё быстрее, потому что им уже не нужно держать в рабочей памяти цвет и форму искомого объекта.

У этого явления есть и обратный эффект. Если условия задачи изменятся, рабочая память начнёт формировать новые представления для её решения. И пока они не окрепнут, рабочей памяти придётся бороться за контроль внимания с долговременной памятью, которая будет пытаться применить к задаче старый усвоенный шаблон. Простой пример: если человек долгое время летал в командировки с синим чемоданом, а потом приобрёл красный, то в ближайшие несколько перелётов он, вероятнее всего, будет непроизвольно реагировать на синие чемоданы на багажной ленте. А вот для быстрого поиска красного чемодана ему придётся перестроиться. То же самое — с похожими, но чем-то отличающимися алгоритмами решения учебных задач.

Как рабочая память влияет на обучение

Как уже упоминалось выше, ёмкость рабочей памяти увеличивается по мере взросления ребёнка. Считается, что в среднем семиклассник может оперировать большим объёмом информации, чем первоклассник, но в этом показателе могут быть и индивидуальные различия. Как пишет Нельсон Коуэн в обзорной статье 2014 года «Рабочая память лежит в основе когнитивного развития, обучения и образования» (Working Memory Underpins Cognitive Development, Learning, and Education), кроме ёмкости, на способности рабочей памяти также воздействуют другие факторы — например, скорость обработки информации и общий объём знаний. И то и другое у разных учеников различается.

Нельсон Коуэн выделяет три направления, в которых возможности рабочей памяти влияют на процесс обучения.

Во-первых, это формирование новых концепций — по сути, создание или обнаружение связей между несколькими элементами информации. Чтобы «провернуть» эту умственную операцию, все необходимые компоненты нужно держать в голове.

Исследователь приводит такой пример: чтобы маленький ребёнок усвоил определение «Тигр — это большой полосатый кот» и смог отличить тигра ото льва и от зебры, ему нужно одновременно оперировать двумя понятиями — «полосатый» и «большой кот». Если он упустит из виду или окрас, или форму животного, это приведёт к ошибке. Даже самый простой математический пример сложения двух чисел требует соотнести в уме три элемента — два слагаемых и их сумму.

Поэтому, по словам Коуэна, рабочая память играет очень важную роль в том, концепциями какой сложности способен оперировать человек. Если возможностей рабочей памяти недостаточно, то даже если учащийся запомнит новую учебную концепцию, у него не получится её понять и применить в другом контексте. Или, решив задачу по образцу, он не сможет выявить принцип решения и применить его к другой задаче.

Кстати, довольно долгое время считалось, что чем больше у человека предварительных знаний по теме, тем легче его рабочей памяти справиться с задачами, связанными с этой же темой. Потому что в ней уже существуют связи между элементами информации, и их не нужно формировать с нуля.

Однако относительно недавнее исследование показало, что этот механизм устроен сложнее — подкованные в теме люди порой совершают даже больше умственных усилий, чем новички, потому что как раз из-за множества связей между элементами информации у них возникает больше ассоциаций, вопросов, сомнений.

Во-вторых, тесно взаимосвязаны рабочая память и контроль внимания. Как пишет психолог Сьюзан Газеркоул, соавтор книги «Рабочая память и обучение: практическое руководство для учителей» (Working Memory and Learning: A Practical Guide for Teachers), за нарушениями внимания у детей часто скрываются проблемы с рабочей памятью, свойственные около 10% детей.

Типичные признаки — ребёнок не выполняет инструкции до конца, пропускает шаги в решении задачи или повторяет их, часто отвлекается на уроке. Это говорит о том, что когнитивная задача слишком сложна для него — она перегружает рабочую память и блокирует способность координировать умственные усилия.

Как отмечает Газеркоул, плохо развитая рабочая память негативно сказывается на успеваемости и затрудняет обучение чтению, математике и естественным наукам как в начальной, так и в средней школе.

В-третьих, по словам Нельсона Коуэна, нагрузка на рабочую память особенно высока во время изучения нового материала, и от её возможностей зависит эффективность обработки новой информации.

Читайте также:

Что такое кривая забывания и как помочь студентам запомнить информацию надолго

Как учесть ограничения рабочей памяти в учебном процессе

Что можно предпринять, чтобы учесть особенности рабочей памяти и её ограничения в учебном процессе? В первую очередь — адаптировать сложность изучаемого материала под уровень когнитивного развития учеников. На самом базовом уровне это означает, что не стоит давать для изучения детям и взрослым новичкам концепции, которые они объективно не смогут обработать. Нужно начать с чего-то попроще.

В 2007 году исследователи предложили подход, измеряющий сложность концепции по числу «слотов» рабочей памяти, которые необходимы для её понимания. Также они обозначили примерные возрастные этапы, когда возможности ребёнка достигают того или иного уровня.

Так, примерно в полтора года малыш может понять концепцию «больше, чем», сравнив два объекта — скажем, слона и мышь. В пять лет — операцию сложения. А вот дроби и пропорции требуют держать в уме четыре элемента, и, по мнению исследователей, средний ребёнок готов к этому только к 11 годам.

В некоторых ситуациях стоит переформулировать концепцию или задачу, уменьшив число объектов и связей между ними, которыми необходимо оперировать.

Вообще, такой организации учебной информации, чтобы эффективно доносить её до учащихся с учётом ограниченного ресурса их рабочей памяти, посвящена теория когнитивной нагрузки Джона Свеллера. Мы рассказывали о ней подробнее.

В учебном процессе стоит учитывать ограничения рабочей памяти не только у учащихся, но и у преподавателей. По словам американского психолога Роберта Слевка, способности рабочей памяти влияют на построение предложений. Проведя серию экспериментов, он обнаружил, что под когнитивной нагрузкой люди не формулируют фразы в логическом порядке «от известного — к новому», а нарушают его. Это важно учесть преподавателям, ведь во время объяснения нового материала нагрузка на рабочую память у них высока, что может приводить к формулировкам, которые слушателям будет затруднительно понять и запомнить.

Нельсон Коуэн подчёркивает, что, когда преподаватель формулирует тезисы, важно принимать во внимание, что из этого слушателям уже известно, а какая информация для них новая. Возьмём для примера фразу: «Юрий Гагарин стал первым человеком в истории, совершившим полёт в космос».

К тому моменту, когда ученик услышит предложение целиком, имя первого человека в космосе вряд ли останется в его рабочей памяти. В варианте «Первым человеком в истории, совершившим полёт в космос, стал Юрий Гагарин» мы сначала вводим контекст, а только потом называем имя, которое ученикам нужно запомнить.

Ну а главное, что стоит помнить разработчикам образовательных программ: теории устройства рабочей памяти не «высечены в камне», как и основанная на них теория когнитивной нагрузки. Учёные-когнитивисты постоянно изучают, как устроены рабочая память и прочие мыслительные процессы. Поэтому стоит следить за свежими научными открытиями из этой сферы — более глубокие исследования могут подтвердить, опровергнуть или откорректировать привычные постулаты.