NN | 解决新异问题的大脑拼图
01 导语
众所周知，心理学上有三个大名鼎鼎的特殊“被试”——巴甫洛夫的狗狗、斯金纳的鸽子和托尔曼的小老鼠，因为它们的参与，一些很重要的心理学理论才得以提出。其中，认知地图（cognitive map）就是由托尔曼根据老鼠走迷宫的实验所提出的。在迷宫实验中，托尔曼发现老鼠并不是通过单纯的试错来寻找出口，而是通过大脑对环境的加工，将零碎的信息像拼图一样组合在一起，形成了一个“虚拟地图”，从而帮助它们更快地找到出口。
最近，一篇发表在《自然神经科学》杂志“Nature Neuroscience”的文章表明，人类不仅可以在空间上建立认知地图，对于抽象事物一样可以。来自加州大学的研究者Seongmin A. Park等人说道，这种抽象事物的认知地图的建立，不仅仅是将相关经验联系在一起，而且能够超越经验，推断出“新的路径”和“捷径”（如图1所示），这是人工智能难以做到的，也是人类解决新问题的重要策略之一。
图1 空间（左）与非空间（右）关系的认知地图
02 实验流程
研究者招募了21名被试，让他们完成一项“同伴选择任务”(partner selection task)。在任务开始之前，他们需要先进行2天的行为训练。在第一天，被试需要学习16个“企业家”在能力(competence)上的排名（企业家的身份是虚拟的；刺激以面孔图片的形式出现）。面孔图片会随机进行两两配对，然后同时呈现，被试需要判断两者中哪一个的能力更高，随后会得到一个“正确与否”的反馈。在第二天，被试将以同样的程序，学习这16个人的人气(popularity)排名。
行为训练阶段结束后，被试需要完成两次同伴选择任务，每次的间隔时间至少为一周。每次任务有3个试次(trial)，每个试次都会指定一名企业家和两名备选的合作伙伴（均来自行为训练中的16人）。被试需要在脑海中综合考虑两个维度的排名(能力和人气)，然后在两名备选者中，给指定的企业家选择最合适的业务合作伙伴，以保证能最大限度地发挥他们共同创办的企业的增长潜力(the growth potential, GP)。在两次同伴选择任务期间，被试都需要接受fMRI扫描。在第二次选择任务结束后，被试被要求将这16个人按能力、人气的大小，放置在一个二维空间中（放置任务，placement task）。
图2 实验流程
GP是考察被试是否选择正确的重要指标。在每一个维度上，排名都将以两者中最高的那一个为准。在二维层次中，GP对应的是每个维度中最高排名所绘制的区域。GP覆盖的区域越大，增长潜力越大。简单来说，假设企业家的能力高、人气低，那么就应该选择一个人气高、能力低的合作伙伴辅之。如图3所示，指定企业人是F0，备选的合作伙伴是F1和F2。当选择F1时，其覆盖区域（绿色）大于选择F2时的区域（红色），因此该trial中，正确选项是F1。
图3 同伴选择任务。
a.实验程序；b.被试的判断规则说明
03 实验结果
研究者利用生物启发模型(biologically inspired computational model)、欧几里得距离(Euclidian distance)、表征相似性分析(representational similarity analysis, RSA)等进行了模型的建立和数据的分析。
结果发现，大脑确实可以建立抽象事物的认知地图。虽然被试从未真正见过一维或二维网格的能力、人气排名，但他们能够将学习过的零碎信息在头脑中进行组合，从而形成一个类似于网格的二维图像来完成GP的计算。在这个过程中，神经活动将被二维网格中的推断轨迹以六边形的方向调节(如图4)。此外，根据fMRI成像表明，这种网格式的图像建立与大脑的海马(HC)和内侧内嗅皮层(EC)有关。
图4 神经表征（以六边形方式调节）
04 结语
这个研究证明了大脑可以将零散的信息组合在一起，形成抽象事物的认知地图，并利用其解决新问题。研究者Park说道，人们在进行决策时，没有固定的答案或选择模板，而是将每个选择放在一个二维空间中，把不同选择的属性转化为同一货币，使得不同选择之间可以进行直接比较。这也就解释了为什么在同一问题上，人们会因情境的改变而做出不同的选择。
编译丨陈逸菲
参考文献
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