人和猕猴序列学习的行为和神经机制研究

Sequence learning is fundamental to the acquisition of language. Sixty years of linguistic research have confirmed that an accurate representation of language requires the postulation of nested tree structure. It was often proposed that the ability to understand nested structure is human-specific and such ability was crucial distinction between humans and other animals. However, this field has been marred with controversy, as some studies showed that animals (primarily birds) could in fact learn center-embedded structures (e.g., AnBn). Therefore, the present study is designing novel experimental paradigms to study the production ability of center-embedded (nested) structure, and combining fMRI and single-unit recordings to investigate the neural mechanisms of nested structure during learning and memory.

序列学习是人类习得语言的重要基础 。六十年来的语言学研究已经证实，语言的表征需要以嵌套树状结构的方式来完成，并提出理解嵌套等级结构的能力为人类所特有，可以用来在语言进化上区分人类与其他动物。然后这一假说还存在着争议，因为近期的一些研究者声称鸣禽也能够掌握具有等级结构的序列 （例如AnBn）。同时，在神经科学领域，理解嵌套结构的大脑编码方式是理解大脑高级认知功能的重要部分。本项目将通过设计全新的行为学范式来探究猕猴学习和产生中央对称嵌套结构序列的能力，并结合清醒动物功能磁共振和单细胞记录的手段，探索猕猴和人类对嵌套结构进行编码和记忆的神经机制。

序列学习是人类习得语言的重要基础。六十年来的语言学研究已经证实，语言的表征需要以嵌套树状结构的方式来完成，并提出理解嵌套等级结构的能力为人类所特有，可以用来在语言进化上区分人类与其他动物。但这一假说还存在着争议，近期的一些研究者声称鸣禽也能够掌握具有等级结构的序列。同时，在神经科学领域，理解嵌套结构的大脑编码方式是理解大脑高级认知功能的重要部分。.本项目通过设计全新的行为学范式来探究猕猴学习和产生中央对称嵌套结构序列的能力，并建立清醒猕猴任务态下的高通量神经元记录方案和计算建模技术，探索猕猴和人类对嵌套结构进行编码和记忆的行为及神经机制。.在行为机制上，团队通过行为学分析和建模发现，成人、儿童和猕猴完成相同的空间序列任务时，不仅存在信息编码精度的差异，还存在对关系结构加工方式的差异——只有人类被试无论年龄大小都会自发地提取连续项目之间的抽象空间关系，并采用内化语言对工作记忆中的序列长度进行压缩。.在神经机制上，项目利用高密度电生理和双光子钙成像技术对任务中猕猴额叶群体神经元进行了记录，发现猕猴前额叶神经元以群体活动的形式构成了一个高维的神经活动状态空间，用以存储空间序列信息。不同时序上的空间位置信息分别被编码并存储于不同的低维子空间中，不同的子空间之间相对正交；同时，各子空间中的空间位置信息的编码方式是相似的。结果提示，独立的神经表征子空间可以确保序列中各元素信息的准确存储，为后续的记忆提取和操纵提供基础。.研究直接定量评估了发育和演化对人类序列表征的相对贡献，这将有助于进一步理解和探索人类认知能力（例如语言处理）的独特性。同时，项目首次在群体神经元水平阐释了序列工作记忆任务中时序信息表征的几何结构，推翻了经典序列工作记忆模型的关键假设，为解决神经网络如何进行符号表征这一难题提供了重要的实验证据及新的思路。