认知控制和执行功能常用实验范式（史上最全）问题解决方案

认知控制与执行功能的实验范式概述

认知控制与执行功能是人类高级认知活动的核心，指个体在目标导向行为中，灵活调控注意力、抑制无关信息、维持工作记忆并实现任务转换的能力。这些能力的损伤与多种神经发育障碍（如多动症）、精神疾病（如 schizophrenia）及衰老相关认知衰退密切相关。为精准测量这些复杂功能，研究者开发了一系列标准化实验范式，这些范式通过控制刺激特征、任务规则和反应要求，揭示认知控制的内在机制。本文将系统梳理认知控制与执行功能研究中最常用的实验范式，涵盖抑制控制、工作记忆、任务转换、冲突监测等核心维度，为相关领域研究提供全面参考。

一、抑制控制实验范式：抑制无关信息的关键测量

抑制控制是认知控制的基础，指个体抑制优势反应或无关信息干扰的能力。以下是该领域最经典的实验范式：

Stroop任务：1935年由John Ridley Stroop提出，是测量反应冲突抑制的金标准。实验中，被试需对颜色词的字体颜色进行判断（如“红”字用蓝色书写时，正确反应为“蓝”），而非阅读词语本身。由于词语语义（如“红”）会自动激活颜色命名反应，与目标任务（判断字体颜色）产生冲突，导致反应时延长（Stroop效应）。该范式通过比较一致试次（如“红”字红色书写）与冲突试次的反应时差异，量化抑制控制能力。变式包括图片词语Stroop（如用“猫”图片搭配“狗”文字）、情绪Stroop（用情绪词测量情绪干扰）等，广泛应用于焦虑症、强迫症等情绪调节障碍研究。

Go/NoGo任务：测量反应抑制的经典范式。实验中，被试需对“Go”刺激（如圆形）快速按键，对“NoGo”刺激（如方形）抑制按键。通过计算“NoGo”试次的错误率（误按键比例）和反应时，评估个体抑制 prepotent 反应的能力。该范式的优势在于操作简单，适合儿童、老年人等特殊群体，且可通过调节刺激概率（如增加Go刺激比例至80%，增强反应倾向性）提高抑制难度。研究发现，多动症患者在NoGo试次中错误率显著高于正常人群，证实其反应抑制缺陷。

停止信号任务（SST）：比Go/NoGo更精准的反应抑制测量工具。实验流程为：先呈现Go刺激（如字母“O”），被试需快速按键；部分试次中，Go刺激呈现后会出现停止信号（如短促声音），要求被试立即停止按键。通过计算“停止信号延迟”（SSD，即Go刺激与停止信号的时间间隔）和成功停止的比例，可推算出个体的“停止信号反应时”（SSRT）——即抑制反应所需的最短时间。SST的核心逻辑是：SSD越短，抑制难度越大；SSRT越长，抑制能力越弱。该范式被广泛用于酒精依赖、药物成瘾等抑制控制损伤研究，例如酒精中毒者的SSRT显著长于健康人群。

Flanker任务：测量选择性注意与冲突抑制的经典范式。刺激呈现为中心靶刺激（如箭头“→”）和两侧干扰刺激（“Flanker”，如“→→→→→”或“←←→←←”），被试需对靶刺激方向（左/右）按键反应。当两侧Flanker与靶刺激方向一致（一致试次）时，反应时较短；当方向冲突（冲突试次）时，反应时延长（Flanker效应）。该范式通过冲突试次与一致试次的反应时差异，反映个体过滤无关干扰的能力。变式包括情绪Flanker（用表情图片作为Flanker），可探究情绪信息对冲突抑制的影响——研究发现，负性情绪Flanker会增大冲突效应，表明情绪干扰会占用认知资源，削弱抑制控制。

二、工作记忆实验范式：信息维持与操纵的核心工具

工作记忆是执行功能的“工作台”，负责暂时存储和操纵信息。以下范式聚焦工作记忆的容量、刷新和操纵能力：

nback任务：测量工作记忆容量与信息刷新能力的经典范式。实验中，被试需持续监测序列呈现的刺激（如字母、数字），并判断当前刺激是否与前n个刺激相同（n=1时判断与前1个相同，n=2时与前2个相同，以此类推）。n值越高，工作记忆负荷越大。因变量包括正确率和反应时，其中正确率随n值增加而下降的程度，反映工作记忆容量的个体差异。该范式的优势在于可通过调节n值灵活控制难度，适合不同年龄段被试。研究表明，老年人在n=2时正确率显著低于年轻人，证实老化导致工作记忆容量下降。

空间工作记忆任务：Corsi块点击任务：专门测量空间工作记忆的经典范式。实验材料为屏幕上随机排列的9个方块，主试按特定顺序点击方块（如3→7→2），被试需按相同顺序复述点击。通过逐步增加序列长度（从2个方块开始，每次增加1个），直至被试连续2次错误，此时的序列长度即为“空间工作记忆广度”。该范式的变式包括“反向Corsi任务”（要求被试按相反顺序点击），增加信息操纵难度，更贴近工作记忆的“操纵”功能。研究发现，顶叶损伤患者的空间工作记忆广度显著降低，证实顶叶在空间信息存储中的关键作用。

延迟样本匹配任务（DSST）：测量视觉工作记忆维持能力的基础范式。实验流程为：先呈现目标刺激（如特定形状的图形），短暂延迟后（如110秒），呈现包含目标刺激和干扰刺激的选项阵列，被试需选出与目标相同的刺激。通过调节延迟时间、刺激复杂度（如增加图形细节）和干扰项数量，可评估工作记忆的维持 duration 和抗干扰能力。该范式广泛用于动物研究（如猴子的前额叶损伤模型）和人类婴幼儿工作记忆发展研究，例如6个月大婴儿已能完成2秒延迟的简单DSST任务。

三、任务转换范式：灵活切换认知策略的测量

任务转换（task switching）指个体在不同任务规则间灵活切换的能力，是执行功能的核心成分之一。以下是该领域的代表性范式：

任务转换基本范式：最常用的设计为“交替运行范式”（alternating runs）。例如，被试需对数字刺激进行“大小判断”（大于5按左键，小于5按右键）或“奇偶判断”（奇数按左键，偶数按右键），任务规则按固定序列交替（如大小奇偶大小奇偶...）。每个试次前会呈现任务线索（如“大小”或“奇偶”文字提示），被试需根据线索切换任务。通过比较“转换试次”（如从大小判断切换到奇偶判断）与“重复试次”（如连续两次大小判断）的反应时差异，计算“转换代价”（switch cost）——即切换任务额外消耗的时间。转换代价越大，表明任务转换能力越弱。研究发现，前额叶损伤患者的转换代价显著大于健康人群，证实前额叶在任务规则表征与切换中的关键作用。

混合块设计范式：为排除序列预期对转换代价的影响，研究者开发了“混合块设计”。在该范式中，任务规则随机呈现（如大小判断和奇偶判断随机混合），无固定交替顺序。此时的转换代价称为“混合代价”（mixing cost），反映个体在无预期情况下维持多个任务规则的能力。混合块设计更贴近日常生活中的随机任务切换场景（如一边开车一边接电话），被广泛用于注意力缺陷多动障碍（ADHD）研究——ADHD患者在混合块设计中的转换代价和混合代价均显著增大，表明其认知灵活性受损。

四、冲突监测与解决范式：探测认知冲突的神经机制

冲突监测指个体实时检测任务中的规则冲突并启动控制机制的能力，是认知控制的“预警系统”。以下范式通过诱发冲突状态，揭示冲突监测的过程：

Simon任务：测量刺激位置与反应位置冲突的经典范式。实验中，刺激（如红色方块）会随机出现在屏幕左侧或右侧，被试需根据刺激颜色按键（如红色按左键，绿色按右键），忽略刺激位置。当刺激位置与反应按键位置一致（如红色方块出现在左侧，按左键）时为一致试次，反应时较短；当位置冲突（如红色方块出现在右侧，需按左键）时为冲突试次，反应时延长（Simon效应）。Simon效应的核心逻辑是：刺激位置会自动激活同侧反应，与颜色任务的目标反应产生冲突，需通过冲突监测系统抑制无关位置信息。该范式的优势在于冲突来源明确（空间位置），适合结合脑电（如ERP成分N2，反映冲突监测）和fMRI（如前扣带回皮层的激活）探究神经机制。

Eriksen侧抑制任务：与Flanker任务类似，但更聚焦刺激反应映射冲突。刺激呈现为中心靶刺激（如字母“H”或“S”）和两侧干扰字母（如“HHH”或“SSH”），被试需对靶字母按键（如“H”按左键，“S”按右键）。当两侧干扰字母与靶字母一致（如“HHH”）时为一致试次，冲突试次中干扰字母对应相反反应（如靶字母为“H”，干扰字母为“SSS”）。该范式通过操纵干扰字母与靶字母的反应关联性，更精准地测量刺激反应映射层面的冲突，而非Flanker任务中的空间注意冲突。研究发现，Eriksen任务中的冲突试次会诱发前扣带回皮层（ACC）的更强激活，证实ACC在冲突检测中的核心作用。

五、计划与问题解决范式：评估复杂目标导向行为

计划与问题解决是执行功能的高级形式，指个体为实现长远目标，制定序列行动并调整策略的能力。以下范式模拟复杂问题解决过程，评估整体执行功能：

河内塔任务（Tower of Hanoi）：经典的计划能力测量工具。实验材料为3根柱子和n个大小不同的圆盘（通常n=35），初始状态下圆盘按大小顺序套在左侧柱子上，目标是通过最少步骤将所有圆盘移至右侧柱子，规则为：每次只能移动1个圆盘，且大盘不能放在小盘上。因变量包括总移动步数、错误次数（违反规则的移动）和初始计划时间（开始移动前的思考时间）。该范式要求被试在工作记忆中维持目标状态和子目标（如先移动最小圆盘），并抑制直觉性错误移动（如直接移动最大圆盘）。前额叶损伤患者在河内塔任务中往往步数多、错误率高，且难以制定有效计划。

威斯康星卡片分类任务（WCST）：测量抽象规则学习与定势转换的经典范式。实验材料为4张刺激卡片（分别以颜色、形状、数量为维度：如1个红三角、2个绿五角星、3个黄十字、4个蓝圆形）和128张反应卡片，被试需将反应卡片与刺激卡片匹配，但主试不告知匹配规则（颜色、形状或数量），仅反馈“正确”或“错误”。当被试连续10次正确（形成定势）后，主试会暗中切换规则（如从颜色切换为形状），被试需通过反馈发现新规则。因变量包括总正确数、完成分类数、持续错误数（固执使用旧规则的错误）和非持续错误数（随机错误）。WCST能有效评估额叶损伤患者的规则学习和定势转换能力——前额叶损伤者常出现大量持续错误，无法根据反馈调整策略。

六、其他经典范式：从持续注意到双任务协调

除上述核心范式外，以下范式从不同角度补充认知控制的测量维度：

持续操作任务（CPT）：测量持续注意与警觉性的常用工具。实验中，刺激（如字母、数字）快速序列呈现（每12秒1个），被试需对特定目标刺激（如“X”后面的“O”）按键，对其他刺激不反应。因变量包括击中率（正确识别目标的比例）和虚报率（对非目标刺激的误反应）。CPT通过长时间任务（通常持续1020分钟）评估个体维持注意力的能力，广泛用于ADHD和睡眠剥夺研究——睡眠不足者的击中率显著下降，虚报率升高，表明持续注意受损。

双任务范式：测量多任务协调能力的经典设计。被试需同时完成两个任务（如任务A：判断数字奇偶；任务B：记忆词语序列），通过比较单任务（仅A或仅B）与双任务条件下的正确率和反应时差异，计算“双任务成本”（dualtask cost）。双任务成本越大，表明个体在任务间分配注意资源的能力越弱。该范式模拟日常生活中的多任务场景（如一边做饭一边听电话），被用于评估老年人的认知资源衰退——老年人在双任务条件下的表现下降幅度显著大于年轻人，证实年龄相关的注意分配能力衰退。

结语：范式的选择与研究展望

认知控制与执行功能的实验范式各有侧重：抑制控制范式聚焦无关信息的排除，工作记忆范式关注信息的维持与操纵，任务转换范式评估规则切换的灵活性，冲突监测范式揭示冲突检测的神经机制，计划范式则衡量复杂目标的实现能力。在实际研究中，需根据研究问题选择合适范式：例如，研究ADHD的抑制缺陷可优先选择Go/NoGo或SST；探究老化对认知灵活性的影响可采用任务转换范式；结合脑成像技术时，Simon任务或Eriksen任务因冲突效应稳定，是理想选择。

未来范式发展将呈现两大趋势：一是生态化，开发更贴近日常生活的自然场景范式（如虚拟现实中的多任务协调任务）；二是个体化，通过机器学习优化刺激参数，实现对个体认知控制特征的精准测量。这些进展将进一步推动认知控制机制的理论突破，并为神经精神疾病的早期诊断和干预提供更有效的工具。