你的小白鼠能“听懂”你说话吗？
好久不见
点
蓝
字
关
注
吧
作者：骆丹
编辑：shin
语言的起源一直是未解之谜。科学家们一直想知道是否人类独有语言能力，还是动物也拥有语言？也就是我们说的喵语，狗语，鼠语，鸟语～还有一个问题是喵主子，狗主子，鼠主子们到底能不能听懂我们爱的呼唤呢？
语言能力有广义和狭义之分。广义的语言能力(Faculty of Language in Broad Sense,FLB)包含了感知运动系统(Sensory-motor system)、概念意向系统(Conceptual-intensional system)、对递归(Recursion)的计算系统(Computational mechanism)以及其他可能的系统。而狭义的语言能力(Faculty of Language in Narrow Sense,FLN)仅仅包含递归的计算机制，它反映了人类根据语法知识(语言规则)整合以及识别无穷多个新通讯信息序列的能力。Hauser等人认为，FLB是人类和其他动物共享的，但FLN是人类独有的。
嗯～用大白话来讲就是，人和其他动物都可以通过眼睛、耳朵、嘴巴和肢体动作来进行交流，利用符号、标记传达信号，以及进行抽象的“言语”输出，但这必须是种族同源(喵和喵～狗跟狗～); 而人类通过适应和发展，才衍生出自己的语言系统(汉语、英语、法语…….)。
动物对于规则序列的学习被认为是进化上的一种保留，规则序列的学习被认为是语言发展的“先驱”。Saffran et al.(1996)研究发现，8个月大的婴儿可以运用转换概率(Transitional Probabilities)的统计学习方式从一段语音流中区别出新颖的刺激序列。Fitch et al.(2004)也发现灵长类动物(棉顶绒猴)可以学习临近序列的变化规则，并应用到新的序列中。然而，非灵长类动物在过去被认为是缺乏规则学习能力的。Toro et al.(2005)发现大鼠不能通过转换概率来学习规则，而只是简单通过统计音节共同出现的频率(Frequency of Co-Occurrence）来识别熟悉序列和新颖序列。
这一项开创性的实验是这么做的：将大鼠分为两组，分别学习语言A和语言B，这两种语言都由三种类型的实验刺激组成：Words、Part-words、Non-words。 实验流程是先让大鼠听由words组成的一段时长为20分钟的语音流，隔天再测试大鼠对听过的Words、Part-words以及从未出现过的Non-words的反应。Words是像tupiro这样的三音节无意义词，音节tu→音节pi和音节pi→音节ro的转换概率都是1.0，表示这三个音节总是一起出现。Part-words是总是一起出现的前两个音节加上另一个词的最后一个的音节组成的三音节无意义词，例如tupidu，音节tu→音节pi的转换概率是1.0，音节pi→音节do的转换概率是0.33。Non-words是由三个从未共同出现过的音节组成的无意义词，例如tilado，虽然这三个音节都在语言A／B中出现过，但从未一起出现，所以转换概率均为0。转换概率的算法如下：
实验一的结果发现(如图1)，大鼠经过学习之后可以从Part-words和Non-words中区分Words，而学习语言A还是语言B没有显著差异。但大鼠并不能区分Part-words和Non-Words，表明大鼠并没有通过转换概率来判断，可能是基于统计音节一起出现的频率，因为在实验中Words的每个音节共同出现的频率是Part-words的每个音节共同出现的两倍。于是研究者又让一组新的大鼠来进行第二个实验，将Words分为高低两种频率，将Part-words中的转换概率0.33调整到0.5，并且保证Words和Part-words出现的绝对概率一致。实验二的结果发现(如图2)，当Words和Part-words中每个音节Co-Occurrence的概率一致时，大鼠不能辨别Part-words和Low-Frequency Words，却可以区分High-Frequency Words和Low-Frequency Words，这验证了实验一的结果，大鼠仅仅依靠音节共同出现的概率来作为辨别策略，而不是通过学习转换概率来进行判断。
图1，学习类似的语言A还是B对结果没有影响；大鼠通过训练后可以从语流中区分出熟悉的语段words
图2,大鼠通过训练后仅仅能依靠出现频率来区分语段words
然而，Murphy et al.(2008)发现大鼠可以学习和迁移规则。实验者将大鼠分为三组，学习不同规则的序列。在一个昏暗的环境下，给三组大鼠呈现两个时长为10s的视觉刺激：明为A，暗为B。研究者让第一组大鼠学习XYX规则，将ABA & BAB与食物配对，而呈现另外两组非强化刺激序列时均不提供食物，即符合XXY/YXX规则的刺激序列AAB、BBA、BAA和ABB。同理，让第二组大鼠学习XXY规则，第三组大鼠学习YXX规则。研究者考察了大鼠在刺激序列的第三个元素呈现时(食物提供之前)对食物的参与反应(反应时),。实验一的结果发现(如图3)，在最后一个小节，大鼠可以明显区分出不同类型的刺激序列。相比非强化序列(例如, XXY/YXX)，大鼠对于强化序列(例如,XYX)反应时间更久，并且大鼠对于两种非强化刺激序列(XXY/YXX)的反应没有差异。这表明，大鼠是可以学习包含三个元素的序列的。
图3,大鼠通过训练后，在最后一个block表现出能够区分强化序列和非强化序列
研究者为了验证大鼠是否可以整合学习到的规则到新的序列中，在实验二中将之前的三组大鼠分为两组，都接受同样的规则训练。实验刺激由两个纯音组成的XYX序列、XXY序列以及YXX序列：A=3.2 K Hz，B=9 K Hz；刺激强化规则和实验一保持一致。训练大鼠习得之后，测试阶段使用两个新的纯音组成新的XYX序列、XXY序列以及YXX序列：C =12.5K Hz ,D=17.5 K Hz。
实验二结果发现(如图4)，在与训练时强化序列XXY保持规则一致时，大鼠的反应时更长，即大鼠对与强化刺激序列XYX(CDC&DCD)的反应显著强于对非强化序列XXY/YXX(CCD&DDC,CDD&DCC)的反应，且对XXY序列和YXX序列的反应没有显著差异。为了测试大鼠是否记住了训练的刺激序列，实验者再次呈现了原刺激，并不给予任何的食物强化或再训练。发现它们仍然可以运用之前学习的规则，对“强化序列XYX”反应时更长。这项研究表明大鼠可以学习简单的规则，并且能够将学习到的规则迁移到新的实验任务中。
图4,大鼠通过训练后，可以将区分与强化规则一致(consistent)的声音序列；再次测试大鼠对原强化序列(original)的反应，发现它们仍能区分出强化序列和非强化序列
变化现在我们知道了，大鼠是可以被训练学习纯音的High-Low-High & Low-High-Low的频率变化规则的，这离小白鼠“听懂”我们说话进了一步。那么，它们是基于什么策略去区分序列变化规则？
一项有趣的研究发现(Mora et al. 2013)，大鼠可以轻松的学习语音流中元音和辅音的变化；并且相比人类依赖于元音的变化来区分语音，大鼠更偏向于依靠辅音的变化区分语音。研究者使用了CVCVCV三音节无意义词作为实验刺激，这些三音节词分别由三个辅音(k,b,s)和三个元音(a,i,œ)构成。在训练阶段，大鼠将学习基于元音变化的AAB序列(即第一个音节和第二个音节中的元音始终保持一致)和基于元音变化的ABC序列，并且仅在AAB序列词呈现后给予食物。在测试阶段，使用了另外三个辅音(f,l,p)和三个元音(e,o,u)组成的CVCVCV三音节无意义词，同样形成两组变化规则的刺激序列分别去测试有相应训练经验的大鼠。例如，用于测试AAB训练组的刺激为“felepu”，“lepefo”；而用于测试ABC训练组大鼠的刺激为“felopu”， “lepufo”。测试阶段，均不给予食物。
结果发现，大鼠可以通过元音的变化来区分AAB序列和ABC序列，并且可以将学习到的规则应用到新的刺激序列中。接着，研究者想探讨大鼠在学习基于元音变化的序列和基于辅音变化的序列的区别(如图5)，他们利用实验一中的三个辅音和三个元音生成了新的基于辅音变化的CVCVCV刺激，实验流程不变。实验二结果发现，大鼠也能通过辅音的变化学习序列规则，并且能应用学习的规则到新的刺激中。对比两个实验的结果发现，虽然大鼠在基于辅音变化的规则学习中表现更好，但二者差异不显著，这表明，大鼠可以学习非相邻音位的变化规则，无论这种变化是基于辅音还是元音。
图5,大鼠通过训练后，能区分出基于两种变化规则(元音和辅音)的序列；大鼠在基于辅音变化(实心三角)的规则学习中表现更好，但无统计学意义。
进一步，研究者考察了人类被试学习同样规则的表现。被试被分为两组，分别学习基于元音变化的规则和基于辅音变化的规则。在训练阶段，研究者使用迫选法让被试从ABC序列中辨别AAB序列，指导他们在听到AAB序列后进行按键反应，正确反应后会在屏幕上呈现正向反馈：“你获得一次奖励”；同时，需要被试在听到ABC序列后不做按键反应，若被试错误反应将会得到一个负向反馈：“你失去了一次奖励”。待被试达到一定正确率后，进入测试阶段。测试结果发现(如图6)，元音组的被试比辅音组的被试表现好，即相比学习辅音变化规则，学习基于元音变化的规则对于被试来说更容易。对比人类和大鼠的研究结果，我们可以这样理解，人类可能会受到自己的语言经验影响，倾向于发现元音的变化；而由于大鼠缺乏语言系统，它们会将不同音位同等的加工再现，即基于这个音位本身所包含的声学特征进行加工，所以辅音变化和元音变化对于大鼠没有显著影响。
图6,人类通过训练后，能区分出基于两种变化规则(元音和辅音)的序列；当基于元音的变化规则时，人类明显学习得更好
综上所述，目前我们知道较低等的啮齿类动物可以学习一些简单的规则，如纯音序列中频率变化规律，以及非临近关系的音位变化；并且它们能将学习到的规则迁移到新的任务中。具体地，动物学习相对复杂规则的能力以及基于什么策略和神经机制都尚未可知，值得我们去探索，这对于探索语言的起源以及语言加工的神经机制都具有很重要的意义。
END
参考文献
1.Marc D. Hauser. et al. (2002) The Faculty of Language: What Is it, Who Has It, and How Did It Evolve? Science 298, 1569-1579.
2.Benjamin Wilson et al.(2017) Conserved Sequence Processing in Primate Frontal Cortex. Trends in Neurosciences 40, 72-82.
3.Saffran, J. R. et al. (1996) Statistical Learning by 8-Month-Old Infants. Science 274, 1926-1928.
4.Fitch, W.T. , Hauser, M.D. (2004) Computational constraints on syntactic processing in a non-human primate. Science 303, 377– 380.
5.Juan M. TORO, JOSFP B. TROBALÓN. (2005) Statistical computation over a speech stream in a rodent. Perception & Psychophysics 67(5), 867-875.
6.Murphy, R.A. et al. (2008) Rule learning by rats. Science 319, 1849-1851.
7.Daniel M. de la Mora, Juan M. TORO. (2013) Rule learning over consonants and vowels in a non-human animal. Cognition 126, 307-312.
往期回顾
最热丨一定要睡个好觉
新浪微博：脑人言
知乎专栏：行为与认知神经科学
QQ群：638710880
脑人言
友情赞助