脑功能基因组学教育部重点实验室
Key Laboratory of Brain Functional Genomics, Ministry of Education

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人与猕猴认知又一分水岭--情景记忆回放

郭思齐课题组

发布日期: 2020-10-05  浏览次数: 10  作者:

前人的研究在人类以及啮齿类动物上找到了记忆回放的证据,但是非人灵长类动物是否拥有记忆回放的能力尚未可知。为了尝试回答这个问题,我们以自然化材料为记忆载体,并训练猕猴完成时序判断任务,尝试找寻猕猴记忆回放的证据。在该研究中,我们训练六只猕猴学习时序判断任务。在每个试次中,首先给猕猴连续播放一段包含两个场景且长度大约为10秒短视频,2秒延迟后,在屏幕上呈现两张图片,猕猴需要选择先看到的那张图片以获得奖励(见图一)。为了进行跨物种的对比,本研究同样采集了7名大学生被试进行时序判断任务的行为学数据。

       为了回答猕猴是否具有记忆回放的能力,我们进行了一系列基于反应时数据的回归分析。我们将猕猴在时序判断阶段选择作为答案的图片在视频中的帧数定义为选择图片位置(Chosen frame location),并将其作为自变量,反应时为因变量,进行回归分析。结果表明选择图片位置和反应时之间存在显著正相关,且用正确的试次或错误的试次分别进行同样的分析,结果一致(见图二)。该结果表明,猕猴在选择出现在视频相对较前的位置的图片时,反应时较短,且该结果不会受猕猴是否回答正确的影响。基于此,我们猜测猕猴通过对视频在脑海中从头到尾地进行回放后做出判断,先出现的图片会更倾向于优先被检索到,因此反应时越短。如果回放现象是真的,那么,它会否有一个特定的方向或是否在时间上具有压缩性呢?
       此外,为了进一步验证猕猴在信息提取的过程中是否具有自如地跳过不必要信息的能力,我们提出了两种可能的模型。如果猕猴具有像人类被试一样可以根据当前任务需要,自如地跳过不必要的场景,那么对于第二段视频的回放会紧接在第一段视频回放之后。因为当图片选自第二段视频时,第一段视频的内容对时序判断毫无帮助,如果猕猴具有跳过整个第一段视频的能力,那么对第二段视频的信息提取所需的时间理论上会相应地缩短(Global-compression model, 图三, 右);然而,如果猕猴并不能像人类被试那样自如地进行选择性回放,那么对于整段视频来说,提取时间会随着选择图片位置向后移动而增加(Strict forward model, 图三, 左)。为了验证猕猴和人类的数据更倾向于哪一种模型,我们使用表征相似性的计算方法,得到每个被试的反应时距离矩阵;对于猕猴数据来说,我们计算了六只猕猴的平均距离矩阵,并将该矩阵和两个模型进行相关分析,结果发现,猕猴数据和Strict forward model有显著的相关性,而人类被试则和Global compression model较相关。该结果证明猕猴倾向于使用从头到尾回放的策略,并且在这个过程中,猕猴缺乏自如地跳过不必要的细节的能力;然而,人类被试却可以灵活的跳过不必要的细节,使得信息提取更加快捷。
       现有文献主要是在啮齿类动物和人类上发现记忆回放的证据,对于在进化上与两者有紧密关系的非人灵长类动物上,尚未发现记忆回放的证据。但是,利用自然化材料和成熟的时序判断范式, 我们发现猕猴拥有记忆回放的能力,且该回放过程在时间上具有压缩性。但是猕猴记忆回放的能力发展并不完善,相对于人类被试,其缺乏自动跳过无关信息的能力,因此猕猴的回放过程僵硬且刻板。这一发现对于目前很热的记忆回放相关的研究有标志性的作用,我们的研究结果提供了记忆回放在灵长类动物身上的行为学证据。前人的电生理研究在海马上发现了记忆回放的电生理证据,接下来的问题可能是我们是否同样可以在猕猴的相关脑区找到记忆回放的电生理证据呢? 
论文信息:
Zuo Sǂ, Wang Lǂ, Shin JH, Cai Y, Zhang B, Lee SW, Appiah K, Zhou Y-d, Kwok SC* (2020) Behavioral evidence for memory replay of video episodes in the macaque. eLife, 9: e54519. DOI: 10.7554/eLife.54519 (ǂ共同第一作者)

图一:时序判断任务的实验范式。猕猴在实验中以触摸屏幕的方式完成任务,猕猴首先需要触摸粉色方框以开始试次,接下来猕猴需要观看一段视频,2秒空屏后,需要对视频中抽取的图片进行时序判断,并触摸先看到的那张图片以获得奖励。

  

图二:反应时回归分析结果显示选择图片位置与反应时之间呈正相关,证明猕猴具有记忆回放的能力,且猕猴记忆回放的过程在时间上具有压缩性。 

 

 

  

 图三:猕猴和人类数据模型拟合对比结果。图A显示了两个可能性模型的示意图,其中左边为Strict forward model假设条件下反应时随着选择图片位置的变化而变化的示意图以及对应的反应时距离矩阵;右边为Global compression model假设下反应时和距离矩阵的示意图。图B为猕猴和人类被试反应时数据与两个假设模型的相关结果,左边为猕猴数据,右边为人类被试数据。结果发现猕猴的回放以Strict forward model进行,然而,人类被试则可以以Global compression 模式进行跳跃式的回放。     


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