發(fā)布時間：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、靈長類神經(jīng)生物學(xué)重點實驗室王立平研究組完成。該研究通過訓(xùn)練獼猴執(zhí)行延時序列生成任務(wù)（delayed-sequence reproduction task），首次證明了獼猴也具有處理包含中央對稱嵌套結(jié)構(gòu)序列的能力；通過與學(xué)齡前兒童執(zhí)行相同任務(wù)時的行為學(xué)表現(xiàn)對比，發(fā)現(xiàn)人與獼猴在加工處理該類型序列時的異同之處。該研究填補了語言進(jìn)化和起源領(lǐng)域內(nèi)的空白，并對“嵌套結(jié)構(gòu)為人類所獨有”這一領(lǐng)域內(nèi)的主流假說提出挑戰(zhàn)。
長久以來，學(xué)術(shù)界認(rèn)為，人類可以具有序列學(xué)習(xí)、工具使用、音樂和數(shù)學(xué)知識理解等行為，正是由于人類具備理解并生成具有嵌套結(jié)構(gòu)的序列的能力。人類之外的動物則缺乏該種能力，這可能是人類所獨有的高級認(rèn)知功能。盡管最近一些研究者的結(jié)果暗示了鳴禽和狒狒能夠編碼中央對稱嵌套結(jié)構(gòu)，但是這些結(jié)果尚存在較大爭議：一方面，這些研究沒有引入足夠充分的抽象泛化刺激來證明動物的規(guī)則泛化能力；另一方面，這些行為學(xué)結(jié)果也能用轉(zhuǎn)換概率和配對關(guān)系等簡單的非遞歸編碼方式來解釋。
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(jié)果上看，未經(jīng)訓(xùn)練的非人靈長類動物大腦也能編碼抽象的數(shù)字概念及代數(shù)規(guī)則，但是人和動物的大腦對于這種抽象規(guī)則的編碼方式不同，并推測人類大腦的語言相關(guān)腦區(qū)擁有一種更高級的能力，能夠?qū)⒊橄蟮男蛄行畔⒔M合成統(tǒng)一格式的語言表達(dá)方式，而獼猴或許只能分別理解序列中的數(shù)字與屬性。
為了進(jìn)一步檢測動物對嵌套結(jié)構(gòu)的理解能力，團隊成員設(shè)計了一個新的實驗范式——延時序列生成任務(wù)，被試（獼猴及學(xué)齡前兒童）需要根據(jù)指定的規(guī)則完成特定空間坐標(biāo)下的序列操作（圖1）。研究者著重研究了被試在學(xué)習(xí)符合鏡像（mirror）規(guī)則這一具有中央對稱嵌套結(jié)構(gòu)的序列時——如ABC|CBA——的行為學(xué)表現(xiàn)，同時也對比了學(xué)習(xí)重復(fù)（repeat）規(guī)則下的反應(yīng)，如ABC|ABC序列。形式語言理論（圖2）認(rèn)為，完成這兩種規(guī)則的操作需要使用到超正則語法（supra-regular grammar），而迄今為止尚沒有證據(jù)表明人類之外的動物能夠理解超正則語法。
圖1：（A）延時序列生成任務(wù)（delayed-sequence reproduction task）流程示意圖，包含對重復(fù)（右上）和鏡像（右下）兩種規(guī)則的測試。（B）獼猴執(zhí)行任務(wù)時的示意圖。
圖2：語言可以依據(jù)不同的復(fù)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(tǒng)。
借助于延時序列生成任務(wù)，研究組首次證明獼猴可以生成超正則語法構(gòu)成的序列。關(guān)鍵的是，獼猴可以將習(xí)得的鏡像語法規(guī)則泛化到不同的形狀（如學(xué)會六角坐標(biāo)系下的規(guī)則，并可運用到金字塔型或直線型下等）以及不同長度的序列中（從長度為2或3泛化到長度為4或5）。此外，獼猴還可以將兩種不同的規(guī)則組合在一起，處理具有兩層等級結(jié)構(gòu)的復(fù)雜序列。
盡管大鼠、鳥類和少數(shù)非人靈長類動物可以識別模式聲音串中的統(tǒng)計關(guān)系和代數(shù)規(guī)則，但它們的自發(fā)生成能力（例如發(fā)聲或身體運動）并沒有表現(xiàn)出相同的抽象規(guī)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(fù)雜語法結(jié)構(gòu)的能力。本研究結(jié)果質(zhì)疑了喬姆斯基層級結(jié)構(gòu)中人類和非人類動物對于正則和超正則（上下文無關(guān)）語法之間理解能力不同的觀點。人類與非人類動物之間在規(guī)則學(xué)習(xí)能力上的界限需要更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎迹⒉幌衲壳凹僭O(shè)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(xí)得了相同的語法。這一發(fā)現(xiàn)與其他研究團隊的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬實驗相似：傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然在序列學(xué)習(xí)中最終可以習(xí)得遞歸語法，但這個過程需要龐大而復(fù)雜的訓(xùn)練集；而采用嵌套樹狀結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卻能很快的習(xí)得復(fù)雜的語法。即使在經(jīng)過大量的強化訓(xùn)練后，獼猴在操作長度為4的序列時仍然依賴于簡單的有序記憶進(jìn)行編碼，而學(xué)齡前兒童則會自發(fā)的利用組塊策略和幾何結(jié)構(gòu)特征來壓縮信息。這些結(jié)果表明，人類大腦中可能擁有動物不具備的計算系統(tǒng)，該系統(tǒng)能讓人類在歸納學(xué)習(xí)中通過壓縮信息而高效的進(jìn)行序列表征。
綜上，基于現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)，研究組提出了新的語言演化假說：獼猴的大腦可能并不存在阻礙其學(xué)習(xí)超正則語法結(jié)構(gòu)的先天結(jié)構(gòu)缺陷，甚至可能不存在影響其掌握包括語言在內(nèi)的高級認(rèn)知能力的缺陷，習(xí)得超正則結(jié)構(gòu)的能力上并非人類所獨有。換言之，人類在學(xué)習(xí)此類結(jié)構(gòu)時的快速性，以及在結(jié)構(gòu)操作過程中使用到的某些特有的結(jié)構(gòu)敏感算法，則更有可能是人類之所以為人的獨到而關(guān)鍵之處。
同期雜志還邀請了著名的進(jìn)化生物學(xué)家、認(rèn)知學(xué)家、維也納大學(xué)教授W. Tecumseh Fitch為本研究撰寫了題為《生物語言學(xué)：猴類打破了語法壁壘》的評述文章。文章高度評價了王立平研究組的該項工作，認(rèn)為“……在超過十余年的努力探尋之后，研究者終于發(fā)現(xiàn)了能使得非人類物種打破“語法壁壘”的范式。盡管完全的人類語言還需要更多的工作機制共同參與（包括復(fù)雜的語義及說話所必須的神經(jīng)操控機制），但現(xiàn)如今已經(jīng)可以（借助該范式）對語法上的核心成分之一開展神經(jīng)活動層面的探究。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(rèn)知科學(xué)學(xué)院博士生姜新劍在王立平研究員指導(dǎo)下共同完成，研究組李俊汝、曹魏聰?shù)热藛T積極參與，并得到了遠(yuǎn)東宏信教育集團總校長任國芳女士、中科院神經(jīng)所動物房及研究組其它成員的大力協(xié)助。
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