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。該研究由中國科學院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、中科院靈長類神經(jīng)生物學重點實驗室王立平研究組完成。該研究通過行為學分析和建模發(fā)現(xiàn)，成人、兒童和獼猴完成相同的空間序列任務時，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自發(fā)地提取連續(xù)項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，這將有助于科學家進一步理解和探索人類認知能力（例如語言處理）的獨特性。

　　人類的大多數(shù)行為，從眼動、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（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鑣的物種相比，人們對序列信息的表征和處理能力具有某些關(guān)鍵的獨到之處。

　　一個簡單的假設是，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。另外的假設則蘊含更多可能：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”曾是領域內(nèi)的傳統(tǒng)假說，而王立平研究組2018年發(fā)表在Current Biology上的研究論文，通過“延時序列生成任務”挑戰(zhàn)了該假說，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項目進行逐一編碼，而是自發(fā)地檢測項目之間的某些關(guān)系結(jié)構(gòu)，借此將它們壓縮成更少的“組塊”（chunk）來降低序列長度。目前，尚不清楚這種能力是否為人類所獨有。?為了驗證這些假設，研究團隊通過相同的空間序列生成任務測試了成人、兒童（6-7歲）和非人類靈長類動物（獼猴）的序列處理能力。

　　此前已經(jīng)有一些計算模型和電生理學研究發(fā)現(xiàn)，序列中每個記憶項目的信息可以被拆分為該項目的固有特性（例如在該研究中的空間位置信息）和時間順序信息這兩種獨立的成分，進行聯(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。研究人員依此建立了聯(lián)合編碼模型來定量評估第一種假設。該模型不僅可以反映首因-近因效應、換置錯誤率梯度變化曲線等行為學指標，其擬合參數(shù)也能很好地解釋被試間的表現(xiàn)差異：空間位置和時間順序的編碼精度是導致兒童和獼猴表現(xiàn)較差的主要因素，而即使經(jīng)過長期訓練，獼猴也仍然顯示出對序列信息的編碼資源進行重新分配時的策略限制。

　　為了檢驗第二種假設，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”進行歸類，得到了30種關(guān)系結(jié)構(gòu)。進一步運用格式塔原則，將順序和位置都臨近的項目壓縮為同一組塊，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)的正確率和反應時進行統(tǒng)計分析后發(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。

　　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行對比，證明分塊策略確實能捕捉更多差異。

　　綜上，通過跨物種比較研究，該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知能力的獨特性，包括理解、學習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。相關(guān)研究工作獲得了中科院、上海市和國家自然科學基金委員會的資助。

　　論文鏈接

圖1 期刊封面顯示了應用于序列學習（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 延時序列生成任務的示意圖。被試需要在刺激呈現(xiàn)階段記憶目標點的空間位置和時間順序信息，并在一段延遲后按呈現(xiàn)階段的順序依次匯報

圖3 聯(lián)合編碼模型示意圖。模型分為兩個階段：在編碼階段，序列中的每一目標點都被拆分為獨立的位置和順序信息對應的分布，并組成聯(lián)合分布，而所有目標點的聯(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，從而可以計算出任意可能被匯報的序列的概率大小。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}則控制了每個目標點聯(lián)合分布的相對編碼強度

圖4 （A）360種長度為4的序列 （B）30種圖樣

來源：中科院