發(fā)布時(shí)間：2018-06-20
2018年6月18日，《Current Biology》期刊發(fā)表了題為《獼猴生成超正則空間序列》的研究論文，該論文由中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所、腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心、靈長(cháng)類(lèi)神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室王立平研究組完成。該研究通過(guò)訓練獼猴執行延時(shí)序列生成任務(wù)（delayed-sequence reproduction task），首次證明了獼猴也具有處理包含中央對稱(chēng)嵌套結構序列的能力；通過(guò)與學(xué)齡前兒童執行相同任務(wù)時(shí)的行為學(xué)表現對比，發(fā)現人與獼猴在加工處理該類(lèi)型序列時(shí)的異同之處。該研究填補了語(yǔ)言進(jìn)化和起源領(lǐng)域內的空白，并對“嵌套結構為人類(lèi)所獨有”這一領(lǐng)域內的主流假說(shuō)提出挑戰。
長(cháng)久以來(lái)，學(xué)術(shù)界認為，人類(lèi)可以具有序列學(xué)習、工具使用、音樂(lè )和數學(xué)知識理解等行為，正是由于人類(lèi)具備理解并生成具有嵌套結構的序列的能力。人類(lèi)之外的動(dòng)物則缺乏該種能力，這可能是人類(lèi)所獨有的高級認知功能。盡管最近一些研究者的結果暗示了鳴禽和狒狒能夠編碼中央對稱(chēng)嵌套結構，但是這些結果尚存在較大爭議：一方面，這些研究沒(méi)有引入足夠充分的抽象泛化刺激來(lái)證明動(dòng)物的規則泛化能力；另一方面，這些行為學(xué)結果也能用轉換概率和配對關(guān)系等簡(jiǎn)單的非遞歸編碼方式來(lái)解釋。
王立平研究員2015年發(fā)表在《Current Biology》上的研究論文表明，從功能磁成像（fMRI）的結果上看，未經(jīng)訓練的非人靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物大腦也能編碼抽象的數字概念及代數規則，但是人和動(dòng)物的大腦對于這種抽象規則的編碼方式不同，并推測人類(lèi)大腦的語(yǔ)言相關(guān)腦區擁有一種更高級的能力，能夠將抽象的序列信息組合成統一格式的語(yǔ)言表達方式，而獼猴或許只能分別理解序列中的數字與屬性。
為了進(jìn)一步檢測動(dòng)物對嵌套結構的理解能力，團隊成員設計了一個(gè)新的實(shí)驗范式——延時(shí)序列生成任務(wù)，被試（獼猴及學(xué)齡前兒童）需要根據指定的規則完成特定空間坐標下的序列操作（圖1）。研究者著(zhù)重研究了被試在學(xué)習符合鏡像（mirror）規則這一具有中央對稱(chēng)嵌套結構的序列時(shí)——如ABC|CBA——的行為學(xué)表現，同時(shí)也對比了學(xué)習重復（repeat）規則下的反應，如ABC|ABC序列。形式語(yǔ)言理論（圖2）認為，完成這兩種規則的操作需要使用到超正則語(yǔ)法（supra-regular grammar），而迄今為止尚沒(méi)有證據表明人類(lèi)之外的動(dòng)物能夠理解超正則語(yǔ)法。
圖1：（A）延時(shí)序列生成任務(wù)（delayed-sequence reproduction task）流程示意圖，包含對重復（右上）和鏡像（右下）兩種規則的測試。（B）獼猴執行任務(wù)時(shí)的示意圖。
圖2：語(yǔ)言可以依據不同的復雜程度進(jìn)行分級，并可大致分為正則下（左向箭頭）和超正則（右向箭頭）兩種系統。
借助于延時(shí)序列生成任務(wù)，研究組首次證明獼猴可以生成超正則語(yǔ)法構成的序列。關(guān)鍵的是，獼猴可以將習得的鏡像語(yǔ)法規則泛化到不同的形狀（如學(xué)會(huì )六角坐標系下的規則，并可運用到金字塔型或直線(xiàn)型下等）以及不同長(cháng)度的序列中（從長(cháng)度為2或3泛化到長(cháng)度為4或5）。此外，獼猴還可以將兩種不同的規則組合在一起，處理具有兩層等級結構的復雜序列。
盡管大鼠、鳥(niǎo)類(lèi)和少數非人靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物可以識別模式聲音串中的統計關(guān)系和代數規則，但它們的自發(fā)生成能力（例如發(fā)聲或身體運動(dòng)）并沒(méi)有表現出相同的抽象規律。研究人員使用這種新穎的空間序列生成范式，第一次證明獼猴擁有生成復雜語(yǔ)法結構的能力。本研究結果質(zhì)疑了喬姆斯基層級結構中人類(lèi)和非人類(lèi)動(dòng)物對于正則和超正則（上下文無(wú)關(guān)）語(yǔ)法之間理解能力不同的觀(guān)點(diǎn)。人類(lèi)與非人類(lèi)動(dòng)物之間在規則學(xué)習能力上的界限需要更加嚴謹的思考，并不像目前假設的那樣清晰。
與獼猴相比，學(xué)齡前兒童在一些測試中很快就習得了相同的語(yǔ)法。這一發(fā)現與其他研究團隊的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模擬實(shí)驗相似：傳統神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )雖然在序列學(xué)習中最終可以習得遞歸語(yǔ)法，但這個(gè)過(guò)程需要龐大而復雜的訓練集；而采用嵌套樹(shù)狀結構的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )卻能很快的習得復雜的語(yǔ)法。即使在經(jīng)過(guò)大量的強化訓練后，獼猴在操作長(cháng)度為4的序列時(shí)仍然依賴(lài)于簡(jiǎn)單的有序記憶進(jìn)行編碼，而學(xué)齡前兒童則會(huì )自發(fā)的利用組塊策略和幾何結構特征來(lái)壓縮信息。這些結果表明，人類(lèi)大腦中可能擁有動(dòng)物不具備的計算系統，該系統能讓人類(lèi)在歸納學(xué)習中通過(guò)壓縮信息而高效的進(jìn)行序列表征。
綜上，基于現有的實(shí)驗數據，研究組提出了新的語(yǔ)言演化假說(shuō)：獼猴的大腦可能并不存在阻礙其學(xué)習超正則語(yǔ)法結構的先天結構缺陷，甚至可能不存在影響其掌握包括語(yǔ)言在內的高級認知能力的缺陷，習得超正則結構的能力上并非人類(lèi)所獨有。換言之，人類(lèi)在學(xué)習此類(lèi)結構時(shí)的快速性，以及在結構操作過(guò)程中使用到的某些特有的結構敏感算法，則更有可能是人類(lèi)之所以為人的獨到而關(guān)鍵之處。
同期雜志還邀請了著(zhù)名的進(jìn)化生物學(xué)家、認知學(xué)家、維也納大學(xué)教授W. Tecumseh Fitch為本研究撰寫(xiě)了題為《生物語(yǔ)言學(xué)：猴類(lèi)打破了語(yǔ)法壁壘》的評述文章。文章高度評價(jià)了王立平研究組的該項工作，認為“……在超過(guò)十余年的努力探尋之后，研究者終于發(fā)現了能使得非人類(lèi)物種打破“語(yǔ)法壁壘”的范式。盡管完全的人類(lèi)語(yǔ)言還需要更多的工作機制共同參與（包括復雜的語(yǔ)義及說(shuō)話(huà)所必須的神經(jīng)操控機制），但現如今已經(jīng)可以（借助該范式）對語(yǔ)法上的核心成分之一開(kāi)展神經(jīng)活動(dòng)層面的探究。讓我們拭目以待！”
該項工作主要由中科院神經(jīng)科學(xué)研究所博士生龍騰海和華東師范大學(xué)心理與認知科學(xué)學(xué)院博士生姜新劍在王立平研究員指導下共同完成，研究組李俊汝、曹魏聰等人員積極參與，并得到了遠東宏信教育集團總校長(cháng)任國芳女士、中科院神經(jīng)所動(dòng)物房及研究組其它成員的大力協(xié)助。
附件下載： 
