來源：中國科學(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）
封面文章?
2022年2月2日，《The of 》第42卷第5期以封面文章的形式在線發(fā)表了題為《空間序列的工作記憶: 對于順序和關(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)與類腦研究中心、中國科學(xué)院靈長類神經(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，還存在對關(guān)系結(jié)構(gòu)加工方式的差異——只有人類被試無論年齡大小都會(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)化語言對工作記憶中的序列長度進(jìn)行壓縮。該研究直接定量評估了發(fā)育和演化對人類序列表征的相對貢獻(xiàn)，這將有助于我們進(jìn)一步理解和探索人類認(rèn)知能力（例如語言處理）的獨(dú)特性。
圖1：《神經(jīng)科學(xué)雜志》第42卷第5期封面：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）和發(fā)育（下面的白色，從嬰兒到成人）因素。與獼猴不同，人類無論年齡大小都會(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。
人類的大多數(shù)行為，從眼動(dòng)、走路、舞蹈、發(fā)聲，再到抽象的文化創(chuàng)造——語言：例如閱讀（自然語言）與數(shù)學(xué)（形式語言），都是按序列的形式來組織的。而在漫長的演化之路上，人類之所以能創(chuàng)造出形形色色的語言，說明同那些中途與人類分道揚(yáng)鑣的物種相比，我們對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。
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假設(shè)一
一個(gè)簡單的假設(shè)是，不同發(fā)育階段的人類和其他物種對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。
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假設(shè)二
另外的假設(shè)則蘊(yùn)含更多可能：人類和其他物種對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，“形式語法層面的超正則性構(gòu)成了人類與其他物種之間的語法壁壘”曾是領(lǐng)域內(nèi)的傳統(tǒng)假說，而王立平研究組2018年發(fā)表在《 》上的研究論文，通過“延時(shí)序列生成任務(wù)”挑戰(zhàn)了該假說時(shí)間序列 行為 建模，并提出了新的語言演化假說：人類在序列處理過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：人類往往不是對序列中的單個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行逐一編碼，而是自發(fā)地檢測項(xiàng)目之間的某些關(guān)系結(jié)構(gòu)時(shí)間序列 行為 建模，借此將它們壓縮成更少的“組塊”（chunk）來降低序列長度。目前，大家尚不清楚這種能力是否為人類所獨(dú)有。
為了驗(yàn)證這些假設(shè)，王立平研究團(tuán)隊(duì)通過相同的空間序列生成任務(wù)測試了成人、兒童（6-7歲）和非人類靈長類動(dòng)物（獼猴）的序列處理能力（圖2）。
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)。
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（ ）——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（圖3）來定量評估第一種假設(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)過長期訓(xùn)練，獼猴也仍然顯示出對序列信息的編碼資源進(jìn)行重新分配時(shí)的策略限制。
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，用以刻畫序列信息的總體編碼強(qiáng)度；在檢索階段，混合分布經(jīng)過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{wi }則控制了每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)聯(lián)合分布的相對編碼強(qiáng)度。
隨后，為了檢驗(yàn)第二種假設(shè)，研究人員將全部360種長度為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，得到了30種關(guān)系結(jié)構(gòu)（圖4AB）。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為8種“組塊模式”。對這些關(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)：人類被試無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壓縮序列信息，而獼猴則沒有這種普遍特征。
圖4：（A）360種長度為4的序列。（B）30種圖樣。
最后，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；并且通過與添加其他替代策略的模型進(jìn)行對比，證明分塊策略確實(shí)能捕捉更多差異。
綜上，通過跨物種比較研究，王立平研究組的工作為理解人類序列處理能力的起源和發(fā)育演變提供了新見解，將有助于查明人類認(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言處理能力。
該項(xiàng)工作主要由中科院腦智卓越中心博士后甄艷芬和博士生張賀在王立平研究員指導(dǎo)下共同完成，余詩景、龍騰海、張冰倩、姜新劍、李俊汝、方文等研究組成員提供了重要幫助。研究得到得到了遠(yuǎn)東宏信教育集團(tuán)任國芳女士、謝雅芳女士，中科院腦智卓越中心動(dòng)物房及研究組其他成員的大力協(xié)助。該研究獲得了中科院、上海市和國家基金委的資助。