類別歸納中不變性探測及分類不確定性的神經(jīng)機(jī)制.pdf

1、類別學(xué)習(xí)通常被定義為個(gè)體從離散的事件中抽取出事物的共同特征并概括為一個(gè)概念，從而形成一個(gè)類別，建立一種對事物類別的反應(yīng)。類別學(xué)習(xí)是人類日常生活中使用的極其重要的技能，也是人腦最基本的一種認(rèn)知功能。
　　以往研究采用各種類別學(xué)習(xí)范式和不同的技術(shù)手段考察類別學(xué)習(xí)的認(rèn)知加工進(jìn)程和神經(jīng)機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)不同的類別學(xué)習(xí)任務(wù)有不同的認(rèn)知加工和大腦活動。例如，基于規(guī)則的類別學(xué)習(xí)需要個(gè)體運(yùn)用外顯推理習(xí)得某種規(guī)則，從而形成類別，這種類別學(xué)習(xí)主要與前額葉

2、皮層和尾狀核密切相關(guān)。在信息整合任務(wù)中，需要整合兩個(gè)或者更多刺激維度的信息，從而習(xí)得某類別，這種類別習(xí)得過程無法用語言來描述，是一種需要程序性記憶介入的類別學(xué)習(xí)，主要激活基底神經(jīng)節(jié)。原型失真任務(wù)則把類別原型扭曲成各種刺激，被試的任務(wù)是從這些扭曲的刺激中提取出原型類別。這種類別學(xué)習(xí)主要激活前額葉，頂葉，內(nèi)側(cè)顳葉，新紋狀體等。
　　歸納是類別學(xué)習(xí)中的一種核心能力，類別歸納是通過比較刺激之間共同的特征來判斷兩個(gè)或者多個(gè)刺激之間的關(guān)系。陳

3、安濤等(2007，2008)將類別學(xué)習(xí)劃分為類別歸納，分類和認(rèn)知控制三個(gè)心理過程。他們采用ERP技術(shù)分別對這三個(gè)認(rèn)知加工過程進(jìn)行了考察。研究得出，類別歸納的神經(jīng)活動產(chǎn)生較大的LPC成分，主要激活了海馬和內(nèi)側(cè)顳葉。分類主要與N2，P3成分密切相關(guān)。N2成分的大腦激活區(qū)域定位于前扣帶回，反映了預(yù)期違背;而P3成分的大腦激活區(qū)域定位于內(nèi)側(cè)顳葉，反映了長時(shí)程分類加工。認(rèn)知控制發(fā)現(xiàn)無關(guān)信息與早期的N2成分有關(guān)，定位于ACC。與先前的類別學(xué)習(xí)研究相

4、比，陳安濤等(2007，2008)采用了一種比較適合于ERP技術(shù)的類別學(xué)習(xí)研究范式，從而能夠在相對獨(dú)立的情況下探討類別學(xué)習(xí)的子過程的神經(jīng)活動，初步探討了人工類別學(xué)習(xí)的神經(jīng)機(jī)制。
　　在歸納加工中有一種特定的歸納問題，就是分類的不確定性，以及這種不確定性引發(fā)的歸納力度的判斷和其信心水平的評估等問題。前人對于類別歸納的不確定性的研究集中在行為水平上，并且主要探討在不確定性中策略的使用，很少有研究對類別歸納的不確定性的神經(jīng)機(jī)制問題進(jìn)行考

5、察。許多不確定性的神經(jīng)機(jī)制研究集中在決策領(lǐng)域，主要采用猜測任務(wù)，賭博任務(wù)，基于概率的預(yù)測任務(wù)等研究范式。
　　盡管前人已經(jīng)對類別學(xué)習(xí)進(jìn)行了深入的研究，但仍存在一些問題。由于類別學(xué)習(xí)任務(wù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，范式的樣式眾多，在各類任務(wù)中被試的分類策略也有區(qū)別，每個(gè)研究考察的類別學(xué)習(xí)的側(cè)重點(diǎn)也不一樣，在不同的研究任務(wù)中大腦的神經(jīng)活動沒有統(tǒng)一的結(jié)論。因此，表征，儲存，回憶不同類型和層次的類別學(xué)習(xí)引發(fā)的大腦的活動是未來相關(guān)研究領(lǐng)域的重要課題。另

6、外，在前人研究中對類別學(xué)習(xí)的神經(jīng)機(jī)制方面的考察主要是在病人群體，研究中的病人數(shù)量較小，被試問的個(gè)體差異較大，比如年齡差異，性格差異，受教育程度差異等。由于個(gè)體差異，很多研究難以得出是自變量直接導(dǎo)致了不同的研究結(jié)果，被試因素或者自變量與被試因素交互作用可能會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論。到目前為止對類別歸納涉及的心理過程和神經(jīng)活動的研究還很缺乏。雖然Bigman(2004)和陳安濤等(2007，2008)采用時(shí)間分辨率高的ERP技術(shù)，在前人的研究基礎(chǔ)上對

7、類別學(xué)習(xí)的心理過程做出了充分的解析，并探討了類別歸納的神經(jīng)機(jī)制，但他們沒有采用空間分辨率高的腦成像技術(shù)對類別歸納的神經(jīng)機(jī)制進(jìn)行深入的探討，而且沒有對類別歸納中的另一個(gè)重要的子加工過程即類別學(xué)習(xí)中的不確定性進(jìn)行研究。另外，對類別歸納神經(jīng)性網(wǎng)絡(luò)的考察也是當(dāng)前迫切需要研究的問題。
　　針對以上的問題，本論文采用兩個(gè)研究來考察類別歸納的神經(jīng)機(jī)制。
　　第一，Vigo(2013)提出了概念學(xué)習(xí)的不變性觀點(diǎn)，將不變性定義為當(dāng)一個(gè)維度被忽

8、略或者抑制時(shí)，抽出或者過濾出某一個(gè)類別的元素。Vigo理論的本質(zhì)就是不變性量越多，越容易進(jìn)行類別學(xué)習(xí);不變性量越少就越難進(jìn)行類別學(xué)習(xí)。為了考察類別歸納中不變性探測的神經(jīng)機(jī)制，我們以Bigman，陳安濤等的研究為基礎(chǔ)，重點(diǎn)借鑒陳安濤的復(fù)雜認(rèn)知分段設(shè)計(jì)，使用分步歸納學(xué)習(xí)方法，將行為研究與認(rèn)知神經(jīng)研究相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)采用fMRI腦成像技術(shù)，考察類別歸納中不變性加工特定的大腦區(qū)域，和大腦區(qū)域之間的激活環(huán)路及其規(guī)律。采用分步歸納范式，有以下兩項(xiàng)考慮:

9、其一，這種類似任務(wù)在前人研究中得到一定的使用。其二，在這種任務(wù)中，類別結(jié)構(gòu)明確，認(rèn)知加工過程簡單，這有利于探討在類別學(xué)習(xí)中類別內(nèi)尋找類別共性的認(rèn)知過程和神經(jīng)活動。我們設(shè)計(jì)了三個(gè)實(shí)驗(yàn)試圖探討類別學(xué)習(xí)中類別歸納的核心問題-不變性探測的神經(jīng)機(jī)制。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)左側(cè)額中回在簡單的類別歸納條件的不變性加工過程中呈現(xiàn)強(qiáng)烈的激活，并且數(shù)據(jù)采用PPI(Psychophysio logical Interaction)分析得出，大腦后部區(qū)域尤其是項(xiàng)

10、部區(qū)域與左側(cè)額中回在類別歸納的最后階段交互作用增加。此結(jié)果揭示了在類別歸納不變性加工中，左額-頂網(wǎng)絡(luò)起著非常重要的作用，初步論證了左側(cè)額中回可能是類別歸納不變性的核心區(qū)域。(2)在排除了預(yù)期對類別歸納不變性加工的影響以及增加實(shí)驗(yàn)任務(wù)復(fù)雜程度的情況下，我們發(fā)現(xiàn)類別歸納主要激活了左側(cè)前額葉(BAs6，9，44)，雙側(cè)上頂葉(BA7)和紋狀體等區(qū)域。感興趣區(qū)域和PPI分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在類別歸納中，當(dāng)更多無效的假設(shè)被拒絕時(shí)，額葉、頂葉、紋狀體區(qū)域

11、的激活就更強(qiáng)烈，并且前額葉與大腦后部區(qū)域的功能連接加強(qiáng)，尤其是與頂葉（內(nèi)頂葉，楔前葉），尾狀核，殼核，顳部。最為重要的是，在抑制的量相同的情況下，抽檢一個(gè)不變性特征和抽檢兩個(gè)不變性特征。兩種不變性抽檢或者歸納的量上的差異在左側(cè)背外側(cè)前額葉(DLPFC)皮層上得以體現(xiàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了不變性探測（歸納或者抽檢共性）與左DLPFC的活動密切相關(guān)。(3)在盡可能控制和降低工作記憶對不變性探測的影響情況下，我們也發(fā)現(xiàn)了左側(cè)額上回(BA6)，額中/下

12、回(BA8，9)在類別歸納的不變性探測中有強(qiáng)烈的激活。
　　三個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果初步揭示了額-頂，紋狀體，不變性探測和工作記憶之間的內(nèi)在關(guān)系。額-頂網(wǎng)絡(luò)主要參與歸納不變性的加工，更重要的是，左DLPFC(BA6，8，9)可能是不變性探測（歸納）的核心區(qū)域。紋狀體更多與工作記憶操作相關(guān)，當(dāng)需要將刺激表征儲存在工作記憶中并在下一階段利用內(nèi)在表征進(jìn)行歸納加工時(shí)，紋狀體起著非常重要的作用。
　　第二，我們運(yùn)用刺激之間的不變性程度差異產(chǎn)生不

13、同的類別歸納任務(wù)來探討分類不確定性的神經(jīng)機(jī)制。更明確地說，實(shí)驗(yàn)采用fMRI技術(shù)，考察分類時(shí)歸納結(jié)論的不確定性引發(fā)的特定的大腦激活以及大腦激活區(qū)域之間的網(wǎng)絡(luò)模式。我們通過實(shí)驗(yàn)四和實(shí)驗(yàn)五對類別歸納中的分類不確定性問題進(jìn)行了考察。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)類別歸納結(jié)論的不確定性越大，左側(cè)內(nèi)頂葉激活越強(qiáng)烈。但是左側(cè)前扣帶回的激活相反，越確定的分類其激活越強(qiáng)烈。此研究結(jié)果可能說明左側(cè)內(nèi)頂葉與分類的不確定性密切相關(guān)。但是這個(gè)初步結(jié)論是從簡單的類別歸納任務(wù)

14、中得出（實(shí)驗(yàn)四）。在此實(shí)驗(yàn)中歸納與分類是分步進(jìn)行的。被試要得出結(jié)論需要較多的工作記憶的參與，工作記憶操作可能與分類的不確定性的激活區(qū)域相重疊。另外，實(shí)驗(yàn)條件較簡單，不變性程度的比率設(shè)置較少，不能全面地考察到分類不確定性的神經(jīng)機(jī)制。(2)在控制工作記憶和增加類別歸納條件情況下，實(shí)驗(yàn)五進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)左側(cè)內(nèi)頂葉，上頂葉，額中回，額內(nèi)回，雙側(cè)腦島等區(qū)域的激活與不確定性加工相關(guān)。不確定性越強(qiáng)，這幾個(gè)區(qū)域的激活也隨之增強(qiáng)，尤其是左側(cè)內(nèi)頂葉，上頂葉皮層。

15、我們初步認(rèn)定左側(cè)內(nèi)頂葉和上頂葉是類別學(xué)習(xí)中分類不確定性認(rèn)知加工過程的核心激活區(qū)域。這種分類的不確定性通過執(zhí)行控制系統(tǒng)中心區(qū)域-前額葉進(jìn)行調(diào)控，而反應(yīng)選擇的決策引發(fā)一種選擇不確定性的狀態(tài)，即使沒有外在的獎(jiǎng)勵(lì)驅(qū)使，通過刺激與反應(yīng)連接做出正確結(jié)論也能引發(fā)腦島的激活。
　　結(jié)合本論文的研究結(jié)果與前人已有的研究結(jié)論，我們總結(jié)出類別歸納不變性探測和分類不確定性的神經(jīng)激活模式。類別歸納加工可能主要是與額-頂-紋狀體網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)。額葉的背外側(cè)皮層