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归纳推理的假设过程及其神经机制

李富洪  
【摘要】: 归纳推理是从特定的事件、事实向一般的事件或事实推论的过程,是将知识或经验概括简约化的过程,是个体进行学习,获得适应的重要方式,也是科学发现的重要途径。尽管对归纳推理的哲学思考历史悠久,但对这一基本能力的心理学研究却仅有三十多年,主要围绕归纳论断力度的判断研究、个体归纳推理能力的发展研究、以及归纳推理的认知神经机制研究。 归纳推理的认知神经科学研究起步更晚,近十年来,仅有少数文献考察了归纳推理活动的相关脑皮层区域,尚无研究者深入讨论这些脑皮层区域在归纳推理活动中的各自作用及动态加工机制。为研究这一动态过程,有必要借用时间分辨率更高的技术手段来考察归纳推理的神经过程。可以假定,归纳推理的过程包括以下三个主要环节,一是注意与知觉分析,二是提取共同点,三是形成假设并验证假设。其中,后两个环节可以看作归纳推理的重要过程。迄今为止,只有两项研究对归纳推理中的核心认知成分(寻找共同性)进行了考察,而且这两项研究也没有直接考察归纳推理活动本身,因为他们的实验任务在性质上都只是类别形成与应用的任务。尽管归纳推理与类别形成存在共同的认知成分,即抽取共同点,但在真实的归纳推理任务中抽取共同点是为了基于共同点形成更上位的概念,而类别形成仅仅是形成一个类别。最为重要的是,对于假设形成与检验的这两个重要的环节,目前尚无研究。 基于此,本研究设置了一个与日常思维中的归纳推理过程相似的实验任务,考察被试在此任务中发现客体间共同特征并在合理的范围内概括成一种规律性的假设的过程。在本研究的4个实验中,给被试同时(或继时)呈现在不同知觉维度上变化的前提客体,即电池图片,这些电池有的有电,有的无电,要求被试通过观察与比较,概括什么类型的电池有电。当被试通过归纳概括得出一个结论时,我们使用一个探测刺激来探测被试是否得出正确的结论。在此任务中,被试发现规律的过程即是归纳的过程,而应用归纳的过程(即被试对探测刺激的反应)则可看作演绎过程,本研究的重点为归纳的过程。 在实验1中,给被试同时呈现一组电池,要求被试发现什么类型的电池有电并对探测刺激进行反应。电池组分为可概括与不可概括两种实验条件。在可概括条件下,有电的电池共享某一知觉特征(如都是长方形),在不可概括条件下,有电的电池不共享知觉特征。行为结果表明,被试在可概括条件下的反应时显著短于不可概括条件下的反应时。 实验1的ERP结果表明在可概括条件下头皮前部的N1潜伏期显著短于在不可概括条件下的潜伏期,这与行为结果一致。在较晚的时间窗口内(420ms之后),可概括条件引发了波幅更大的LPC。从可概括条件下较短行为反应时与较早的N1潜伏期,可以认为,在本实验中的归纳概括任务中,被试会十分快速地发现客体中的规律性并准确地进行反应,换言之,人们能在早到70ms的时间把有规律的刺激(可概括条件)从无规律(不可概括条件)的刺激中区分出来。当然,这种区分仅仅发生于注意或加工资源的分配上,真正辨别出规律并将规律性的知识存储于工作记忆发生于较晚的时间窗口内。实验1发现,可概括条件与不可概括条件在波幅上的显著差异发生于420ms之后的LPC。通过对归纳概括任务与关系判断任务在波形上的对比,我们发现在310ms左右,被试就已经形成了一个初步的假设,这说明,对刺激相似度的识别在310m之前就基本结束。因此,我们认为,实验1中的LPC最可能的认知过程涉及知识背景的更新。通过对任务的分析,不难看出,被试在不可概括条件下不能概括出一种关于何种类型的电池有电的新知识,故而不需要更新知识系统;相反,在可概括条件下他们可以概括出如“长方形电池有电”这一新知识,这一新形成的知识立即更新认知系统,并将之存储于工作记忆中。 在实验1虽然发现了假设检验的环节,但由于是同时呈现刺激,很难精确地考察到假设检验过程。在实验2-4中,继时呈现刺激,三个实验的结果一致表明,假设检验的不同结果会在不同时间窗口内引发不同的脑电成分,反应了归纳推理中假设检验的不同认知加工阶段对不同脑区神经网络的不同程度的调用。 例如,在实验2中,先后给被试呈现两张电池的图片,这两电池都有电,且共享某一知觉特征,如长方形。在任务驱动下,被试会注意到这一共享特征,并可能形成一个初步的假设,如“长方形电池有电”。然后呈现第三块电池。设置了三种实验条件,在假设不变条件下,第三块电池不共享前两块电池的知觉特征,且无电。在假设增强条件下,第三块电池共享前两块电池的知觉特征且有电。在假设否定条件下,第三块电池共享前两块电池的知觉特征但无电。实验2的行为结果表明,在假设增强条件下,被试的记忆得到了增强,反应正确率最高,在假设否定条件下,由于记忆已经被刷新,不需要提取记忆,故而也有较高的反应正确率。 实验2的脑电结果不仅支持了行为结果,还提供了更丰富的信息。在假设检验的早期注意阶段,就发现了显著的实验条件主效应。在增强条件下,灯泡是“亮”的,而在其它两种条件下灯泡是暗的,所以他们在增强条件下立即注意到灯泡的知觉特征,引起较大的P1波幅。这一结果再次说明,在归纳概括任务中,被试在早期的注意阶段就能将不同实验条件区分开来。不同实验条件在早期注意阶段的脑电差异也在实验4被发现。 在假设检验的知觉分析阶段也存在显著的实验条件主效应,不过这一知觉阶段的主效应具有任务具体性,在实验1与实验2的任务中没有出现这一效应,主要原因可能是实验条件之间细微差异。比如,在实验3的假设不变条件下,被试可能会因为假设不变条件的刺激恒定性与假设无关性而减少对脑电诱发刺激的关注,所以他们在假设不变条件下的知觉努力就少于另外两种条件。 另一与假设检验过程无直接相关却在类别归纳的学习中相当重要的过程是冲突检测与相似度分析。这一过程在本研究的实验2中被揭示。在实验2的三种实验条件中,假设增强条件下的脑电诱发刺激(即第三块电池及其上方的灯泡)与被试所形成的假设的表征在电池的知觉特征与灯泡的知觉特征均无冲突,相似度最高;在假设否定条件下,尽管电池的知觉特征与假设一致,但灯泡的知觉特征与假设有冲突,故而相似度次之;假设不变条件下,电池与灯泡的知觉特征均与假设不一致,冲突最多,相似度最低。三种实验条件在相似度的递变正好与刺激呈现300ms左右的波幅递变相吻合。假设增强条件引起了最大的顶部正波,假设不变条件在这一时间段内波幅最低,却在前部体现出最负的负波。对这一时间窗口差异波的定位结果发现其主要发生源位于尾状核附近,反映了尾状核在学习刺激与类别间的新联结或规则的重要的作用。 本研究的最重要发现是在实验2-4一致发现了与假设检验过程直接相关的关键波形,即500ms左右的假设否定正波(HRP)。与假设增强条件和假设不变条件相比,假设否定条件引发了波幅更大的LPC。 HRP可能反应了假设评估与相应的记忆更新与维持。在本研究的后三个实验中,假设的评价结果有假设不变、假设增强与假设否定三种,但三个实验均发现HRP只在假设否定与其它两种实验条件间存在显著的差异,在假设不变与假设增强之间并没有显著的差异。这可能是因为假设增强条件并没有更新认知系统,被试的知识状态没有得到改变,记忆没有被刷新。而在假设否定条件下,存在知识系统与记忆背景的更新,所以引发了较大的LPC。 最为重要的是,反映LPC波幅变化的直接心理过程可能不是记忆更新的结果,而是更新的过程,而记忆更新过程会更多地涉及工作记忆的另一成分的功能,即中央执行系统(CE)。中央执行系统不仅在工作记忆实时更新的过程中有着重要的作用,在本研究的假设检验过程中也行使了重要的功能。通过对不同实验条件之间在HRP时间窗口内的差异波的颅内源的偶极子定位,进一步支持了这一观点。从三个实验的定位结果来看,扣带回作为差异波的颅内源,在三个实验均被发现。而研究表明,扣带回尤其是扣带前回与中心控制(CE)功能有关。在本研究中,需要调用与整合不同信息,如根据灯泡的亮度信息判断存储于工作记忆中与电池某一知觉特征(或形状或颜色)相联系的假设是否成立,如果成立,原假设或知识则保持于记忆中,如果不成立则要刷新记忆并在动作准备上抑制由原假设自动诱发的准备动作。 此外,其它脑回如额上回、额中回、中央前回、中央后回、海马旁回、颞中回以及尾状核,都与本研究发现的HRP有关,这说明涉及假设评估过程的脑区较广泛,包含从纹状体到皮层的网络回路。 需要说明的是,尽管记忆更新任务的LPC波形特征与时间窗口与本研究发现的HRP的波形特征与时间窗口较相似,但本研究发现的HRP在本质上不是记忆更新任务中的LPC,因为在记忆更新任务中旧记忆弃用之后立即以新的记忆内容替代旧记忆,相反,在本研究的假设否定条件下,初始假设被否定后,相应的旧记忆被弃用后没有新记忆替代旧记忆。因此,本研究的HRP反应的认知成分就明显不同于记忆更新任务中的LPC,那么,在本质上两者就不能视为同一脑电成分。 本研究虽然首次以ERP技术考察了人类的高级认知活动__归纳推理的假设过程,发现了与假设形成与检验相关的脑电成分,但仍存在以下问题。第一,研究内容上对假设形成过程探讨不深入。本研究虽然在实验1中重点探讨了假设形成过程的神经机制,发现了P310这一与假设形成相关的特异成分。但这一成分从波形上看并不明朗,其反应的认知过程是否真的反应了一个初期假设的形成过程有待进一步的验证。第二,定位的准确性问题。本研究为了探讨造成不同实验条件间脑电差异的颅内源,采用了偶极子定位的方法。从定位结果来看,其精准性是令人怀疑的,这主要缘于相应技术与算法本身的限制。第三,假设增强与假设不变从理论上看是不同的两个过程,至少在记忆内容的巩固上不同,前者使记忆被巩固,后者没有巩固的过程。因此,其相应的大脑激活应该有所不同,但本研究除了在早期注意阶段发现两者间的差异外,并没有在假设评估与记忆操作阶段发现两者问的差异。在以后的研究中可以尝试以更灵巧的设计与程序来考察假设增强与假设不变间的差异。


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