獼猴可以掌握中心嵌套結構語法 挑戰人類「語法壁壘」

6月18日，《Current Biology》期刊發表了題為《獼猴生成超正則空間序列》的研究論文，該論文由中國科學院神經科學研究所、腦科學與智能技術卓越創新中心、靈長類神經生物學重點實驗室王立平研究組完成。該研究通過訓練獼猴執行延時序列生成任務（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構序列的能力；通過與學齡前兒童執行相同任務時的行為學表現對比，發現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化和起源領域內的空白，並對「嵌套結構為人類所獨有」這一領域內的主流假說提出挑戰。

長久以來，學術界認為，人類可以具有序列學習、工具使用、音樂和數學知識理解等行為，正是由於人類具備理解並生成具有嵌套結構的序列的能力。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知功能。儘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，這些研究沒有引入足夠充分的抽象泛化刺激來證明動物的規則泛化能力；另一方面，這些行為學結果也能用轉換概率和配對關係等簡單的非遞歸編碼方式來解釋。

王立平研究員2015年發表在《Current Biology》上的研究論文表明，從功能磁成像（fMRI）的結果上看，未經訓練的非人靈長類動物大腦也能編碼抽象的數字概念及代數規則，但是人和動物的大腦對於這種抽象規則的編碼方式不同，並推測人類大腦的語言相關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。

為了進一步檢測動物對嵌套結構的理解能力，團隊成員設計了一個新的實驗範式——延時序列生成任務，被試（獼猴及學齡前兒童）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）。研究者著重研究了被試在學習符合鏡像（mirror）規則這一具有中央對稱嵌套結構的序列時——如ABC|CBA——的行為學表現，同時也對比了學習重複（repeat）規則下的反應，如ABC|ABC序列。形式語言理論（圖2）認為，完成這兩種規則的操作需要使用到超正則語法（supra-regular grammar），而迄今為止尚沒有證據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（delayed-sequence reproduction task）流程示意圖，包含對重複（右上）和鏡像（右下）兩種規則的測試。（B）獼猴執行任務時的示意圖。

圖2：語言可以依據不同的複雜程度進行分級，並可大致分為正則下（左向箭頭）和超正則（右向箭頭）兩種系統。

藉助於延時序列生成任務，研究組首次證明獼猴可以生成超正則語法構成的序列。關鍵的是，獼猴可以將習得的鏡像語法規則泛化到不同的形狀（如學會六角坐標系下的規則，並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則組合在一起，處理具有兩層等級結構的複雜序列。

儘管大鼠、鳥類和少數非人靈長類動物可以識別模式聲音串中的統計關係和代數規則，但它們的自發生成能力（例如發聲或身體運動）並沒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範式，第一次證明獼猴擁有生成複雜語法結構的能力。本研究結果質疑了喬姆斯基層級結構中人類和非人類動物對於正則和超正則（上下文無關）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則學習能力上的界限需要更加嚴謹的思考，並不像目前假設的那樣清晰。

與獼猴相比，學齡前兒童在一些測試中很快就習得了相同的語法。這一發現與其他研究團隊的神經網路模擬實驗相似：傳統神經網路雖然在序列學習中最終可以習得遞歸語法，但這個過程需要龐大而複雜的訓練集；而採用嵌套樹狀結構的神經網路卻能很快的習得複雜的語法。即使在經過大量的強化訓練後，獼猴在操作長度為4的序列時仍然依賴於簡單的有序記憶進行編碼，而學齡前兒童則會自發的利用組塊策略和幾何結構特徵來壓縮信息。這些結果表明，人類大腦中可能擁有動物不具備的計算系統，該系統能讓人類在歸納學習中通過壓縮信息而高效的進行序列表徵。

綜上，基於現有的實驗數據，研究組提出了新的語言演化假說：獼猴的大腦可能並不存在阻礙其學習超正則語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言在內的高級認知能力的缺陷，習得超正則結構的能力上並非人類所獨有。換言之，人類在學習此類結構時的快速性，以及在結構操作過程中使用到的某些特有的結構敏感演算法，則更有可能是人類之所以為人的獨到而關鍵之處。

同期雜誌還邀請了著名的進化生物學家、認知學家、維也納大學教授W. Tecumseh Fitch為本研究撰寫了題為《生物語言學：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，認為「……在超過十餘年的努力探尋之後，研究者終於發現了能使得非人類物種打破「語法壁壘」的範式。儘管完全的人類語言還需要更多的工作機制共同參與（包括複雜的語義及說話所必須的神經操控機制），但現如今已經可以（藉助該範式）對語法上的核心成分之一開展神經活動層面的探究。讓我們拭目以待！」

該項工作主要由中科院神經科學研究所博士生龍騰海和華東師範大學心理與認知科學學院博士生薑新劍在王立平研究員指導下共同完成，研究組李俊汝、曹魏聰等人員積极參与，並得到了遠東宏信教育集團總校長任國芳女士、中科院神經所動物房及研究組其它成員的大力協助。研究工作得到了中科院百人計劃、中科院前沿科學重點研究項目及上海市重點基礎研究項目的支持。

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