“
No such an animal is man。
”
序列学习(sequence learning)是人类习得语言的重要基础。早在上世纪50年代,Karl Lashley便提出应当从行为学及神经科学的角度对序列编码的机制进行深入研究[3]。人们想知道大脑是如何编码事物之间的时间顺序,比如怎样利用这些时间信息从记忆表中提取和分辨事件,怎样预测即将出现的下一个事件,以及怎样将这种提取、分辨及预测能力泛化到其他具有相似结构的新序列中。Lashley指出,人类语言的感知及创造,包括鸟的鸣叫、大鼠的定位导向行为,都包含对系列事物的相互串联。人类和其他动物不仅能够对有着固定时间间隔的前后两个事物之间进行联系,也能提取出存在于多个事物之间的抽象的序列结构。
图1。 抽象程度不同的序列(自上而下越来越抽象)
六十年来的语言学研究已经证实,语言的表征需要以嵌套树状结构的方式来完成[4]。相似的,一些利用更简单的实验范式开展的行为学及神经生理学的研究表明,在对声音序列和动作序列编码时,不仅采用了简单的串联模式,而是存在很多不同的表征形式。Dehaene等人[5]的研究综述中指出,序列中包含抽象程度逐渐增加的五种信息:转换及时间信息、组块、次序信息、代数规则及嵌套树状结构(图1)。之前的研究已经明确的表明动物可以利用前四种信息进行序列编码[6-9]。
人类的语言包含复杂的嵌套树状结构[4, 5]。比如句子 The cars [that pass this truck] are red ,尽管中间插入的句子中存在一个名词 (truck),但系动词 (are) 却是用来连接复数主语 (cars) 和表语 (red) 的。这种长距离的相关性正是语言的重要特征,只有以树形结构表征语言时,才能忽略“cars”和“are”在时间距离上的差距,进而连接在一起(图2)。
图2。 嵌套树形结构图:黑色结构嵌套绿色结构。
之前的研究认为,人类与动物在高级认知功能上的重要区别在于,人类能够理解并产生诸如语言、音乐等具有嵌套结构的序列,而非人类动物不能理解嵌套结构[10, 11]。那么,理解嵌套结构的能力是否是人类所特有的呢?早期的实验表明,绢毛猴(Saguinus oedipus)不能理解中央对称嵌套树结构(center-embedded nested tree structure,如A[A[AB]B]B,表示为AnBn),但是能够理解非嵌套的配对结构(non-nested pairwise structure,如[AB][AB][AB],表示为(AB)n)[12]。此外,序列学习、工具使用、音乐和数学知识的理解等行为表明,获取并操作嵌套树状结构的能力可能是人类所特有的[13-15]。
最近一些研究者的结果表明,鸣禽和狒狒能够编码中央对称嵌套结构[16-18]。Gentner等人[16]通过设计go/nogo任务范式,测试欧洲椋鸟(一种已经被证明能组合多种不同叫声的鸣禽)对嵌套结构的分辨能力。实验结果表明,通过训练,一部分欧洲椋鸟能够快速掌握分辨两种不同类型((AB)n和AnBn)的序列结构的能力,并且能将这种分辨能力泛化到新异刺激及不同长度的序列中。Abe和Watanabe[17]在另一项研究中发现,孟加拉雀对于违背中央对称嵌套规则的新异序列的响应比对符合规则的熟悉序列的响应显著降低。
但是,这些结果尚存在较大争议:一方面,这些研究没有引入足够充分的抽象泛化刺激来证明动物的规则泛化能力;另一方面,这些行为学结果也能用转换概率和配对关系等简单的非递归编码方式来解释[19-23]。
2018年6月14日,中国科学院神经科学研究所/中科院脑科学与智能技术卓越创新中心王立平研究员课题组在Current Biology杂志在线发表了题为Production of Supra-regular Spatial Sequences by Macaque Monkeys 的研究论文,首次证明猕猴具有处理中央对称嵌套结构的能力。这项研究填补了之前研究的空白,并对“嵌套结构是人类独有”的假说提出了挑战。杂志还同期配发了来自维也纳大学的进化生物学家 W。 Tecumseh Fitch 的评论文章Bio-Linguistics: Monkeys Break Through the Syntax Barrier。
王立平博士近些年一直从事序列学习的相关研究,2015年发表在Current Biology上的研究论文通过fMRI手段探究了猕猴在听觉模态下对于代数规则的理解[24]。结果表明,非人灵长类动物即使未经训练,也能编码抽象的数字概念以及代数规则。但是,人和动物的大脑对于这种抽象规则的编码是不同的:猕猴对于序列长度的激活脑区与呈现模式的激活脑区是分开的;而在人的大脑激活脑区来看,对于序列两种变化的编码存在很大的重叠,主要集中在IFG (inferior frontal gyrus) 和pSTS (posterior superior temporal sulcus),而这些脑区在人类语言的句子处理中同样会被激活。基于这些结果,研究人员推测,人类大脑的语言相关脑区拥有一种更高级的能力,能够将抽象的序列信息组合成统一格式的语言表达方式,而猕猴可能分别理解序列中的数字与属性。
虽然,非人灵长类动物能够学会在听觉序列中检测结构[6],并能够编码序列中的数字(或长度)信息和代数规则[24-26]。但是,这些实验范式都没有涉及到更高等级的序列编码,无法检测动物对嵌套结构的理解能力。为此,王立平课题组设计了一个新的实验范式——延时序列产生任务(delayed sequence production task)。在这种任务条件下,被试需要根据指定的规则完成序列操作(图3,图4)。研究者比较了两种规则:镜像(mirror)规则,序列具有中央对称嵌套结构,如ABC|CBA(图5);重复(repeat)规则,序列刺激间具有交叉依赖(cross-dependency)特征,如ABC|ABC。形式语言理论认为,完成这两种规则的操作,需要使用到超常规语法(supra-regular grammar)。迄今为止还没有证据表明非人类动物能够理解超常规语法[10, 11]。