概率類別學習的認知神經機制

類別學習是人類智能的基本認知過程和學習活動。這意味著將周圍的事物分為不同的類別，形成特定的存儲痕跡的過程。類別學習在人們的日常生活中非常重要。你可以快速評估人們看到的新物體或新情況的反應。例如，有經驗的醫生可以快速評估x片是否正常或異常，并根據x片的類型制定相應的治療方案。然而，在日常生活中，對于不同類別的判斷往往不是明確的、非正義的。例如，醫生對疾病的診斷，氣象科學家對天氣的預處理，地震專家對地震的預測，以及地震專家對宗教的預測，可以說是絕對的。沒有絕對的評估。它只是一個概率判斷。在已知的條件下，可以出現兩種或多個結果。在這種不確定的條件下，人們逐漸學會正確分類新事物和新情況，被稱為概率范疇研究。20世紀50年代以來，概率論研究在決策、學習和記憶等研究領域得到了廣泛應用。相關研究為進一步澄清人類學習的無意識性、感知靈活性以及學習和記憶機制提供了許多實驗證據和理論解釋。在本文中，我們首先介紹了概率論學習的操作定義和研究方法，然后描述了概率論學習的認知機制和神經基礎。最后，總結了當前研究中的問題和不足，并指出了未來的研究方向。1關于概率類別學習的研究概率類別學習是指人們通過反復、不斷的分類來習得線索和結果之間的概率關系,在某種程度上這種關系的習得不依賴于有關概率頻次(probabilisticfrequencies)等的意識知識.與傳統的類別學習不同,在概率類別學習中線索的類別屬性是概率性(probabilistic)的而不是確定的(deterministic).也就是說,每一線索并不是明確地屬于某一類別,而是有時屬于類別A有時屬于類別B,但屬于類別A和B的概率不同.由于在概率類別學習中各個線索與類別之間的關系是概率性的,學習者可能需要在不斷的學習中逐漸發現線索與類別之間的關系,因此這一學習可能是一種漸進的、累加的過程.有些研究者認為,這一過程以程序記憶為基礎,是一種內隱學習過程.目前有關概率類別學習的研究主要包含三種實驗任務,其中最為經典的是天氣預報任務(weatherpredictiontask,WPT).在天氣預報任務中,一般是在計算機屏幕上呈現四張包含不同圖形(長方形、菱形、圓形和三角形)的卡片,這四張卡片分別以某一固定概率預測兩種天氣結果(晴天\雨天),如四張卡片分別以75%、57%、43%、25%的概率預測天氣為晴天,反之預測為雨天.在每個試次中,向被試呈現這四張卡片中的一張、兩張或三張,被試的任務是根據呈現的卡片來按鍵判斷是晴天還是雨天,被試判斷后會出現正確、錯誤的反饋.四張卡片共有14種呈現模式,每種模式按一定的頻次出現,在整個實驗中晴天和雨天各自出現的總頻次相等.其他兩種實驗任務分別是“冰激凌”任務(theice-creamtask)和“虛擬病”任務(fictitiousdiseasetask),這兩種任務的基本邏輯與天氣預報任務相同,只是刺激材料不同.例如,在冰激凌任務中刺激材料是一個玩具(Mr.PotatoheadTM),被試根據玩具的四個面孔特征(即黑色帽子、黑色胡子、紅色眼鏡、白色領結)的呈現模式,來判斷這個玩具想要香草味冰激凌還是巧克力味冰激凌;在“虛擬病”任務中刺激材料是描述疾病癥狀的文字,被試根據疾病的四種癥狀(即頭痛、疲乏、皮疹、打噴嚏),來判斷疾病是兩種虛擬病nermitis和caldosis中的哪一種.在過去的幾十年里,研究者借助以上三種實驗任務深入探討了人類概率類別學習的認知機理和神經基礎,為揭示學習的無意識性以及學習和記憶的機制做出了重要貢獻.2概率類別學習的認知機制在概率類別學習中,由于線索與結果之間是一種概率性的關系,學習者往往需要較長時間的學習才能習得這種關系.以往的研究表明,健康被試在概率類別學習中平均正確率一般能達到70%～75%(隨機水平是50%).下面,我們將從概率類別學習的認知策略、無意識性及其與工作記憶和注意的關系三個方面來闡釋概率類別學習的認知機制.2.1多線索策略與認知策略的匹配在概率類別學習研究早期,研究者認為,人們是以一種相互平行的、獨立的方式來分別對概率類別學習中四個線索與結果間的關系進行學習,并逐漸習得線索和結果間的關系,最終可以對線索做出最佳反應.但是,進一步的研究發現,被試往往并不能按照最佳反應來進行判斷,而是會采用某種認知策略,并且不同的被試采用的認知策略不盡相同.Gluck等采用TheLensModel回歸分析方法,探討了人們在完成天氣預報任務時使用的認知策略.他們發現理想的學習者主要采用三種不同的認知策略:多線索策略(multicuestrategy)、單模式策略(singletonstrategy)和單線索策略(one-cuestrategy).多線索策略是學習的最佳策略,學習者首先掌握每一線索的預測概率,然后根據四個線索的不同結合來內隱地計算其結合模式的預測概率,并據此做出判斷.單模式策略是指學習者只學到了每一線索的預測概率,但對于幾個線索結合出現的模式隨機做出判斷.單線索策略是指學習者只依據某一線索進行判斷,例如,學習者只根據卡片1進行判斷,只要線索模式中出現卡片1就判斷是晴天,否則就判斷為雨天.如果理想學習者分別采用上述策略,那么其最佳正確率可分別達到100%、75%、87.5%(高預測性的單線索)或66%(低預測性的單線索).然而,Gluck等發現,被試的正確率只有62.4%,即使當線索的預測概率變為0.8、0.6、0.4、0.2時正確率也僅為74.4%,這表明被試并不是單純按照上述策略來完成任務.而且,他們對單個被試數據的分析結果表明,被試在完成任務時并不是從頭到尾只使用一種策略,而是在不同的策略間進行轉換:在概率類別學習的初期,多數被試主要采用單模式策略,當學習達到一定程度后,被試會越來越多地使用多線索策略.不過,Lagnado等指出,在Glcuk等所采用的分析方法中多線索策略實際上是指多-最大化(Multi-matix)策略,即理想學習者根據線索和結果間的概率關系進行一種絕對的判斷.例如,如果卡片1預測晴天的概率是75%,那么出現卡片1理想學習者就會判斷為晴天.盡管Gluck等假定這種策略會帶來最佳反應,但實際上即使被試知道每一線索的預測概率,其最高正確率也只能夠達到83%而不是100%.由此,Lagnado等提出,學習者采用的多線索策略既可能是多-最大化策略,也可能是多-匹配(multi-match)策略,即將反應的概率與線索模式的預測概率相匹配.例如,線索1預測晴天的概率為75%,那么被試在100個試次中有75次判斷為晴天,25次判斷為雨天.在此基礎上,他們采用滾動回歸分析的方法,進一步探討了人們在概率類別學習中使用的認知策略.結果發現,超過80%的被試數據符合多-匹配策略,只有6%的被試數據符合多-最大策略和單模式策略.并且,他們進一步指出,被試在學習中也可能并沒有使用任何認知策略,而只是逐漸地學到四個線索對結果的預測概率,從而有意識地根據強線索而不是弱線索來進行判斷.此外,Meeter等在Gluck等研究的基礎上,還考察了被試采用隨機策略的可能性.他們發現,多數被試在概率類別學習期間會多次轉換所使用的認知策略,并且,有時會由較好的認知策略轉到較差的認知策略,說明概率類別學習是非線性的.目前,有關人們在概率類別學習中是否使用認知策略,使用何種認知策略,以及腦損傷病人與健康人使用的認知策略是否一致等問題都還存在爭議.2.2出的多類別學習系統理論概率類別學習研究中,一個有趣的研究發現是:盡管人們可以逐漸學到線索與結果之間的概率關系,但是人們卻對這一概率關系缺乏準確的意識知識.例如,對腦損傷病人的研究發現,盡管內側顳葉損傷的遺忘癥病人和阿爾茨海默病病人能夠較好地完成天氣預報任務,但是他們在有關線索與結果關系的外顯評價任務中表現很差,似乎對二者之間的關系一無所知.再如,Gluck等研究發現,盡管被試能夠很好地完成天氣預報任務,但是卻不能準確評估卡片與兩種天氣之間的概率關系,而且盡管被試主要使用的是單模式和單線索的認知策略,但是被試實際采用的認知策略與口頭報告的認知策略并不相關.這些研究結果說明,概率類別學習可能是內隱的,支持Ashby和Alfonso-Reese提出的多類別學習系統理論.也就是,類別學習可分為性質不同的兩個系統:外顯(言語)系統,基于假設檢驗等推理過程,受意識控制;內隱系統,基于非言語的學習過程,不受意識控制.然而,近年來概率類別學習的無意識性也受到一些研究者的質疑.一方面,有研究者主張,概率類別學習并不是完全無意識或內隱的,內隱系統和外顯系統同時參與概率類別學習過程.例如,Poldrack等采用fMRI技術發現,在概率類別學習早期主要負責外顯學習的內側顳葉會被激活,而隨著學習的進行其激活狀態逐漸減弱,主要負責內隱學習的基底神經節則被逐漸激活.隨后的腦功能成像研究也進一步證實,在概率類別學習中同時存在內側顳葉和基底神經節的激活,只是激活的時間和激活狀態有所不同.此外,徐貴平、溫紅博、魏曉瑪和莫雷等的研究則發現,概率類別學習的無意識性受線索位置的影響:當線索呈現位置固定時,概率類別學習獲得的知識是有意識的;而當所有線索呈現位置隨機時,概率類別學習獲得的知識是無意識的.另一方面,有研究者甚至認為,概率類別學習其實就是一種外顯學習過程.例如,Lagnado等研究發現,在概率類別學習中人們不僅可以學到線索與結果的關系,同時還掌握了一定的任務特征和學習過程的外顯知識.由此,他們主張,單一的言語(外顯)學習系統足以解釋概率類別學習成績、概率判斷與外顯測驗成績之間的分離現象.Speekenbrink等也指出,在概率類別學習中帕金森病人和正常被試的行為表現與基于規則的假設檢驗的外顯學習過程相一致.由上可見,有關概率類別學習的無意識性問題涉及“內隱學習和外顯學習系統”的分離問題.由于任何一種任務都可能包含內隱和外顯學習系統的參與,在實際的概率類別學習任務中可能不存在單純的內隱學習或者外顯學習過程.為了探討學習的無意識性,近年來在內隱學習領域的研究者一方面試圖改進對意識知識的測量標準,如結合可控性標準和主觀標準來測量知識的意識狀態;另一方面試圖找出對意識和無意識加工具有不同影響的變量,如通過操縱第二任務、學習程度、任務難度等來揭示內隱和外顯系統的分離.在未來有關概率類別學習無意識性的研究中,應借鑒內隱學習領域研究的相關成果,并借助眼動和腦功能成像技術,進一步分析與探討內隱系統和外顯系統在概率類別學習中的作用.2.3第二任務對概率類別學習的影響概率類別學習與工作記憶和注意的關系與概率類別學習的無意識性關系密切.Packard和Knowlton指出,內隱概率類別學習的主要標志在于它的自動加工和不需要注意資源的參與.Foerde等采用數聲任務作為第二任務,首次為概率類別學習不需要注意資源參與的觀點提供了直接的實驗證據.他們發現,盡管在學習階段被試在雙任務條件下的學習成績比單任務條件下的略差(二者僅邊緣顯著,P=0.072),但是當在單任務條件下完成探測測驗時,單任務和雙任務條件下被試的學習成績差異不顯著,說明第二任務并不影響人們對線索與結果關系的習得.這一結果還得到了Foerde,Knowlton和Poldrack研究的進一步證實.他們也發現,當第二任務占用工作記憶和分散被試的注意資源時,盡管人們在雙任務條件下學習的正確率確實低于單任務條件下的正確率,但是在單任務的探測組段中兩組被試的正確率差異不顯著,說明人們在雙任務條件下可照常獲得線索與結果關系的知識.但上述結果也受到了一些研究的質疑.例如,Newell等利用stroop任務的一個變式作為第二任務發現,不僅雙任務組被試在雙任務條件下的正確率顯著低于單任務組被試,而且在隨后的單任務測驗中雙任務組被試的正確率也顯著低于單任務組被試,說明第二任務不僅影響知識的表達也破壞了對知識的獲得.不僅如此,兩組被試的學習策略也大相徑庭,雙任務組被試會更傾向采用較簡單的單線索和單模式策略,而單任務組被試則主要采用多-匹配策略.因此,Newell等認為,這些結果與外顯(陳述)系統的預期相一致,即概率類別學習依賴工作記憶參與,但是不符合內隱(程序)系統的預期,即概率類別學習不依賴工作記憶的參與.這些結果對概率類別學習可能不需要工作記憶和注意的多系統理論提出了挑戰.值得指出的是,盡管stroop任務和數聲任務都需要注意和工作記憶的參與,但是二者對注意和工作記憶的需求卻并不相同.因此,上述相互矛盾的研究結果并不能具體說明概率類別學習與注意和工作記憶的關系.況且,以上研究采用的第二任務都是與概率類別學習任務同時出現,這樣就很難區分注意和工作記憶各自對概率類別學習的影響.此外,以上研究在探討第二任務對概率類別學習的影響時,并沒有區分第二任務影響的是意識還是無意識加工.有研究發現,在內隱學習中注意資源影響意識知識的獲得,但并不一定影響無意識知識的獲得.因此,在未來的研究中,研究者可通過操縱第二任務對注意和工作記憶的需求特點并結合對被試知識意識狀態的測量,來進一步探討工作記憶和注意在概率類別學習中的作用.3多個腦區參與概率類別學習的必要性近年來,大量神經心理學和腦功能成像研究表明,多個腦區參與概率類別學習過程,其中,基底神經節、內側顳葉、前額葉和頂葉等腦區可能在概率類別學習中起重要作用.3.1基底神經節在概率類別學習中的作用基底神經節包括杏仁核、新紋狀體(neostriatial)、蒼白球、尾狀核(殼核和尾核)和黑質等結構,它在內隱學習中發揮著重要作用.對腦損傷病人研究表明,基底神經節參與概率類別學習過程.例如,帕金森癥是基底神經節中多巴胺輸入異常而引發的疾病.雖然帕金森病人在概率類別學習中學習正確率高于隨機水平,但學習成績卻遠遠低于相應的控制組被試.亨廷頓癥主要是尾狀核和殼核的細胞受損.亨廷頓病人在概率類別學習中的表現同樣存在嚴重缺陷,其正確率只有50%.圖雷特斯綜合癥主要是新紋狀體功能受損,發病者主要是兒童.圖雷斯特癥兒童對概率類別的學習也存在障礙,而且病情越嚴重學習成績越差.另外,有關健康被試腦功能成像的研究也進一步證實基底神經節在概率類別學習中具有重要作用.研究主要發現,基底神經節的尾狀核和新紋狀體在概率類別學習中都存在明顯的激活,特別是在學習后期基底神經節的激活狀態更為明顯.3.2內側哌葉的學習特征內側顳葉由海馬及相鄰的皮層組成,包括內嗅皮層、外嗅皮層和海馬旁回等,這些結構主要影響與語義和情景記憶相關的外顯學習.遺忘癥主要是內側顳葉功能失常而引發的功能性疾病.Knowlton等利用遺忘癥病人,探討了內側顳葉在概率類別學習中的作用.研究發現,在學習早期遺忘癥病人的學習成績與控制組沒有差異,但是在學習晚期其學習成績卻遠遠低于控制組.由此,他們指出,內側顳葉可能僅僅在概率類別學習的晚期起作用.不過,Hopkins等有關雙側海馬受損遺忘癥病人的研究發現,即使在學習早期遺忘癥病人的成績也低于控制組,并且遺忘癥病人不能像控制組被試那樣使用復雜的認知策略,表明內側顳葉可能參與概率類別學習的整個過程.此外,有關健康被試腦功能成像研究則發現,在概率類別學習早期內側顳葉被激活,在學習的晚期激活程度有所下降,說明內側顳葉可能在概率類別學習的早期比較重要.但也有研究指出,內側顳葉在概率類別學習早期被激活,主要是因為在學習的早期會出現新的刺激表征,一旦形成新刺激表征內側顳葉的激活程度就會下降.目前為止,多數研究表明,內側顳葉參與概率類別學習過程,但是有關內側顳葉在概率類別學習中的具體作用還存在爭議.3.3前端葉在概率類別學習中的作用前額葉皮層在學習和使用分類規則方面起重要作用,并與意識知識的產生關系密切.有關額葉功能異常的精神分裂癥病人的研究發現,精神分裂癥病人在概率類別學習中學習成績顯著低于健康被試,說明前額葉可能在概率類別學習中具有一定的作用.而有關健康被試的腦功能成像的研究也發現,在概率類別學習中前額葉皮層會被激活.例如,Kincses等的研究發現,前額葉皮層有助于概率類別學習成績的提高.不過,也有研究證明,前額葉皮層在概率類別學習中不起作用.由于前額葉皮層和基底神經節聯系緊密,兩者中任何一個功能的受損都可能導致需要其參與任務的成績下降,目前有關前額葉在概率類別學習中的具體作用還有待于進一步研究.3.4概率類別學習中人老年化會使健康老年人的前額葉皮層體積減少,尾狀核體積和功能下降,但是,Fera等研究發現,健康老年被試和年輕被試在概率類別學習中的成績差異不顯著.并且,他們還發現,盡管兩組被試在概率類別學習中激活的腦區相似,但是年輕被試在額葉皮層和尾狀核的激活區域更大,而老年被試則在頂葉的激活區域更大.由此,Fera等認為,頂葉對老年人的概率論類別學習可能具有一種補償的作用.Weickert等的研究也發現,尾狀核和背外側前額葉皮層受損的精神分裂癥病人的概率類別學習表現正常,并且相對于健康被試,精神分裂病人在扣帶回、海馬旁回(parahippocampal)和頂葉的激活區域更大.這些結果都支持大腦中存在額葉-頂葉的補償機制的觀點,即當額葉的功能受到損害時頂葉和海馬旁回可以部分替代受損額葉的功能.最后,目前在概率類別學習中有關基底神經節和內側顳葉的相互關系也存在一定的爭議.在某種程度上,這一爭議反映了研究者對內隱系統與外顯系統關系的不同解釋.例如,有研究者主張,內側顳葉和基底神經節相互競爭,基底神經節的活動增強會使內側顳葉的活動下降,而內側顳葉的活動增強也會使基底神經節的活動下降.有研究者認為,基底神經節和內側顳葉以一種平行的方式獨立對概率學習過程起作用.還有研究指出,內側顳葉與基底神經節的相互作用可能受前額葉的調節.此外,近兩年有研究者發現,腦內多巴胺水平的高低影響帕金森病人的概率類別學習成績.如當服用過量多巴胺藥物導致腦內多巴胺水平過高時,概率類別學習績效較差,說明多巴胺系統在概率類別學習中具有重要的作用.4注意和工作記憶的關系綜上所述,概率類別學習不僅是研究人類類別學習能力的重要范式,還是探討人類學習過程和記憶系統的有效方法.在日常生活中,人類認知活動的一個基本目標就是基于過去的經驗預測未來.但是,在一個不確定的世界中,基于以往經驗和已有條件做出最佳判斷是非常困難的.概率類別學習的研究,可以揭示人們在這種不確定情景下的認知過程,為我們進一步理解這一復雜活動背后的認知神經機制提供良好的視角.目前,在概率類別學習的研究中,研究者主要使用天氣預報任務,探討人們如何在不確定條件下習得線索與結果之間的概率關系.研究結果發現,人們在概率類別學習中并不只是根據線索與結果的關聯來逐步習得二者的關系,而是會采用一定的認知策略來實現對結果的預測.對這一關系的習得可能是無意識的,并不需要注意