近日，The Journal of Neuroscience以封面文章形式在線發(fā)表了題為《空間序列的工作記憶：對(duì)于順序和關(guān)系結(jié)構(gòu)編碼的發(fā)育和演化因素》的研究論文。該研究由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心、中科院靈長(zhǎng)類(lèi)神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王立平研究組完成。該研究通過(guò)行為學(xué)分析和建模發(fā)現(xiàn)，成人、兒童和獼猴完成相同的空間序列任務(wù)時(shí)，不僅存在信息編碼精度的差異，還存在對(duì)關(guān)系結(jié)構(gòu)加工方式的差異。只有人類(lèi)被試無(wú)論年齡大小都會(huì)自發(fā)地提取連續(xù)項(xiàng)目之間的抽象空間關(guān)系，并采用內(nèi)化語(yǔ)言對(duì)工作記憶中的序列長(zhǎng)度進(jìn)行壓縮。該研究直接定量評(píng)估了發(fā)育和演化對(duì)人類(lèi)序列表征的相對(duì)貢獻(xiàn)，這將有助于科學(xué)家進(jìn)一步理解和探索人類(lèi)認(rèn)知能力（例如語(yǔ)言處理）的獨(dú)特性。

　　人類(lèi)的大多數(shù)行為，從眼動(dòng)、走路、舞蹈、發(fā)聲，再到抽象的文化創(chuàng)造——語(yǔ)言，例如閱讀（自然語(yǔ)言）與數(shù)學(xué)（形式語(yǔ)言），都是按序列的形式來(lái)組織的。而在漫長(zhǎng)的演化之路上，人類(lèi)之所以能創(chuàng)造出形形色色的語(yǔ)言，說(shuō)明同那些中途與人類(lèi)分道揚(yáng)鑣的物種相比，人們對(duì)序列信息的表征和處理能力具有某些關(guān)鍵的獨(dú)到之處。

　　一個(gè)簡(jiǎn)單的假設(shè)是，不同發(fā)育階段的人類(lèi)和其他物種對(duì)序列的加工方式相同，處理能力僅存在程度差異，例如，由工作記憶容量差異造成的信息編碼精度的不同。另外的假設(shè)則蘊(yùn)含更多可能：人類(lèi)和其他物種對(duì)序列信息的處理能力不只是量的不同，在某些層面還存在著質(zhì)的不同。其中，“形式語(yǔ)法層面的超正則性構(gòu)成了人類(lèi)與其他物種之間的語(yǔ)法壁壘”曾是領(lǐng)域內(nèi)的傳統(tǒng)假說(shuō)，而王立平研究組2018年發(fā)表在Current Biology上的研究論文，通過(guò)“延時(shí)序列生成任務(wù)”挑戰(zhàn)了該假說(shuō)，并提出了新的語(yǔ)言演化假說(shuō)：人類(lèi)在序列處理過(guò)程中使用到的某些特有的結(jié)構(gòu)敏感算法，更有可能是人類(lèi)之所以為人的獨(dú)到而關(guān)鍵之處。具體而言，之前有證據(jù)表明，人類(lèi)往往不是對(duì)序列中的單個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行逐一編碼，而是自發(fā)地檢測(cè)項(xiàng)目之間的某些關(guān)系結(jié)構(gòu)，借此將它們壓縮成更少的“組塊”（chunk）來(lái)降低序列長(zhǎng)度。目前，尚不清楚這種能力是否為人類(lèi)所獨(dú)有。?為了驗(yàn)證這些假設(shè)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)相同的空間序列生成任務(wù)測(cè)試了成人、兒童（6-7歲）和非人類(lèi)靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物（獼猴）的序列處理能力。

　　此前已經(jīng)有一些計(jì)算模型和電生理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，序列中每個(gè)記憶項(xiàng)目的信息可以被拆分為該項(xiàng)目的固有特性（例如在該研究中的空間位置信息）和時(shí)間順序信息這兩種獨(dú)立的成分，進(jìn)行聯(lián)合編碼（conjunctive coding），這或許就是大腦編碼和保持完整序列信息的基礎(chǔ)。研究人員依此建立了聯(lián)合編碼模型來(lái)定量評(píng)估第一種假設(shè)。該模型不僅可以反映首因-近因效應(yīng)、換置錯(cuò)誤率梯度變化曲線等行為學(xué)指標(biāo)，其擬合參數(shù)也能很好地解釋被試間的表現(xiàn)差異：空間位置和時(shí)間順序的編碼精度是導(dǎo)致兒童和獼猴表現(xiàn)較差的主要因素，而即使經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期訓(xùn)練，獼猴也仍然顯示出對(duì)序列信息的編碼資源進(jìn)行重新分配時(shí)的策略限制。

　　為了檢驗(yàn)第二種假設(shè)，研究人員將全部360種長(zhǎng)度為4的序列按照旋轉(zhuǎn)、鏡像等剛體變換后統(tǒng)一的“圖樣”進(jìn)行歸類(lèi)，得到了30種關(guān)系結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步運(yùn)用格式塔原則，將順序和位置都臨近的項(xiàng)目壓縮為同一組塊，30種圖樣就可以再歸類(lèi)為8種“組塊模式”。對(duì)這些關(guān)系結(jié)構(gòu)的正確率和反應(yīng)時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，人類(lèi)被試無(wú)論年齡大小都能自發(fā)地使用跨不同圖樣的通用分塊策略來(lái)壓縮序列信息，而獼猴則沒(méi)有這種普遍特征。

　　研究人員還將分塊策略添加到了原始的聯(lián)合編碼模型當(dāng)中，在關(guān)系結(jié)構(gòu)層面解釋了被試表現(xiàn)的差異，并且通過(guò)與添加其他替代策略的模型進(jìn)行對(duì)比，證明分塊策略確實(shí)能捕捉更多差異。

　　綜上，通過(guò)跨物種比較研究，該工作為理解人類(lèi)序列處理能力的起源和發(fā)育演變提供了新見(jiàn)解，將有助于查明人類(lèi)認(rèn)知能力的獨(dú)特性，包括理解、學(xué)習(xí)和生成序列信息的能力，乃至其中最為重要的語(yǔ)言處理能力。相關(guān)研究工作獲得了中科院、上海市和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的資助。

　　論文鏈接

圖1 期刊封面顯示了應(yīng)用于序列學(xué)習(xí)（數(shù)字字符串?1-3-4-6-7-8）的演化（上面的白色，從獼猴到人類(lèi)）和發(fā)育（下面的白色，從嬰兒到成人）因素。與獼猴不同，人類(lèi)無(wú)論年齡大小都會(huì)自發(fā)地提取連續(xù)數(shù)字之間的關(guān)系，并使用組塊化的策略壓縮工作記憶中的序列

圖2 延時(shí)序列生成任務(wù)的示意圖。被試需要在刺激呈現(xiàn)階段記憶目標(biāo)點(diǎn)的空間位置和時(shí)間順序信息，并在一段延遲后按呈現(xiàn)階段的順序依次匯報(bào)

圖3 聯(lián)合編碼模型示意圖。模型分為兩個(gè)階段：在編碼階段，序列中的每一目標(biāo)點(diǎn)都被拆分為獨(dú)立的位置和順序信息對(duì)應(yīng)的分布，并組成聯(lián)合分布，而所有目標(biāo)點(diǎn)的聯(lián)合分布最終再加權(quán)平均成為混合分布，用以刻畫(huà)序列信息的總體編碼強(qiáng)度；在檢索階段，混合分布經(jīng)過(guò)離散化和歸一化成為檢索概率，從而可以計(jì)算出任意可能被匯報(bào)的序列的概率大小。其中，λ和κ分別控制了順序和位置信息的編碼精度，而權(quán)重{w_i}則控制了每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)聯(lián)合分布的相對(duì)編碼強(qiáng)度

圖4 （A）360種長(zhǎng)度為4的序列 （B）30種圖樣

來(lái)源：中科院