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NN | 解決新異問題的大腦拼圖

01 導語

眾所周知,心理學上有三個大名鼎鼎的特殊“被試”——巴甫洛夫的狗狗、斯金納的鴿子和托爾曼的小老鼠,因為它們的參與,一些很重要的心理學理論才得以提出。其中,認知地圖(cognitive map)就是由托爾曼根據(jù)老鼠走迷宮的實驗所提出的。在迷宮實驗中,托爾曼發(fā)現(xiàn)老鼠并不是通過單純的試錯來尋找出口,而是通過大腦對環(huán)境的加工,將零碎的信息像拼圖一樣組合在一起,形成了一個“虛擬地圖”,從而幫助它們更快地找到出口。

最近,一篇發(fā)表在《自然神經(jīng)科學》雜志“Nature Neuroscience”的文章表明,人類不僅可以在空間上建立認知地圖,對于抽象事物一樣可以。來自加州大學的研究者Seongmin A. Park等人說道,這種抽象事物的認知地圖的建立,不僅僅是將相關經(jīng)驗聯(lián)系在一起,而且能夠超越經(jīng)驗,推斷出“新的路徑”和“捷徑”(如圖1所示),這是人工智能難以做到的,也是人類解決新問題的重要策略之一。

圖1 空間(左)與非空間(右)關系的認知地圖

02 實驗流程

研究者招募了21名被試,讓他們完成一項“同伴選擇任務”(partner selection task)。在任務開始之前,他們需要先進行2天的行為訓練。在第一天,被試需要學習16個“企業(yè)家”在能力(competence)上的排名(企業(yè)家的身份是虛擬的;刺激以面孔圖片的形式出現(xiàn))。面孔圖片會隨機進行兩兩配對,然后同時呈現(xiàn),被試需要判斷兩者中哪一個的能力更高,隨后會得到一個“正確與否”的反饋。在第二天,被試將以同樣的程序,學習這16個人的人氣(popularity)排名。

行為訓練階段結束后,被試需要完成兩次同伴選擇任務,每次的間隔時間至少為一周。每次任務有3個試次(trial),每個試次都會指定一名企業(yè)家和兩名備選的合作伙伴(均來自行為訓練中的16人)。被試需要在腦海中綜合考慮兩個維度的排名(能力和人氣),然后在兩名備選者中,給指定的企業(yè)家選擇最合適的業(yè)務合作伙伴,以保證能最大限度地發(fā)揮他們共同創(chuàng)辦的企業(yè)的增長潛力(the growth potential, GP)。在兩次同伴選擇任務期間,被試都需要接受fMRI掃描。在第二次選擇任務結束后,被試被要求將這16個人按能力、人氣的大小,放置在一個二維空間中(放置任務,placement task)。

圖2  實驗流程

GP是考察被試是否選擇正確的重要指標。在每一個維度上,排名都將以兩者中最高的那一個為準。在二維層次中,GP對應的是每個維度中最高排名所繪制的區(qū)域。GP覆蓋的區(qū)域越大,增長潛力越大。簡單來說,假設企業(yè)家的能力高、人氣低,那么就應該選擇一個人氣高、能力低的合作伙伴輔之。如圖3所示,指定企業(yè)人是F0,備選的合作伙伴是F1和F2。當選擇F1時,其覆蓋區(qū)域(綠色)大于選擇F2時的區(qū)域(紅色),因此該trial中,正確選項是F1。

圖3 同伴選擇任務。

a.實驗程序;b.被試的判斷規(guī)則說明

03 實驗結果

研究者利用生物啟發(fā)模型(biologically inspired computational model)、歐幾里得距離(Euclidian distance)、表征相似性分析(representational similarity analysis, RSA)等進行了模型的建立和數(shù)據(jù)的分析。

結果發(fā)現(xiàn),大腦確實可以建立抽象事物的認知地圖。雖然被試從未真正見過一維或二維網(wǎng)格的能力、人氣排名,但他們能夠?qū)W習過的零碎信息在頭腦中進行組合,從而形成一個類似于網(wǎng)格的二維圖像來完成GP的計算。在這個過程中,神經(jīng)活動將被二維網(wǎng)格中的推斷軌跡以六邊形的方向調(diào)節(jié)(如圖4)。此外,根據(jù)fMRI成像表明,這種網(wǎng)格式的圖像建立與大腦的海馬(HC)和內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層(EC)有關。

圖4 神經(jīng)表征(以六邊形方式調(diào)節(jié))

04 結語

這個研究證明了大腦可以將零散的信息組合在一起,形成抽象事物的認知地圖,并利用其解決新問題。研究者Park說道,人們在進行決策時,沒有固定的答案或選擇模板,而是將每個選擇放在一個二維空間中,把不同選擇的屬性轉(zhuǎn)化為同一貨幣,使得不同選擇之間可以進行直接比較。這也就解釋了為什么在同一問題上,人們會因情境的改變而做出不同的選擇。

編譯丨陳逸菲

參考文獻

Seongmin A. Park, Douglas S. Miller, Erie D. Boorman.(2021). Inferences on a multidimensional social hierarchy use a grid-like code. Nature Neuroscience, 24(9), 1292. DOI: 10.1038/s41593-021-00916-3

University of California - Davis. (2021, September 3). New model for solving novel problems uses mental map. ScienceDaily. Retrieved September 15, 2021 from www.sciencedaily.com/releases/2021/09/210903132610.htm

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