發(fā)布時(shí)間：2022-04-26
作者：中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 吳超 來源：科學(xué)大院
各位“鏟屎官們”快來看看！
如果你家養(yǎng)了邊牧：
（圖片來源：微博）
如果你家養(yǎng)了哈士奇：
（圖片來源：微博）
邊牧的聰慧過人和哈士奇的憨態(tài)可掬可以算大家公認(rèn)的了。不過，有愛哈人士認(rèn)為，哈士奇并不是真的憨傻學(xué)不會(huì)指令，只是不拘一格，放任天性，不愿意受到指令約束。
雖然關(guān)于哈士奇和邊牧的智力還沒有確切的定論，但科學(xué)家們目前也設(shè)計(jì)出了一些方法用于評(píng)估動(dòng)物們的智力，具體是怎么做的呢？
如何讓動(dòng)物們自愿答題？
首先我們得面臨一個(gè)問題：動(dòng)物們不能聽說讀寫，沒法做卷子，該怎么測試它們的智力呢？為了測定它們的智力，科學(xué)家們給各種動(dòng)物量身定制了“智力測試卷”。不過，如何讓動(dòng)物自愿答題呢？
為達(dá)到目的，科學(xué)家們通常需要在正式考試之前對(duì)動(dòng)物進(jìn)行考前培訓(xùn)，以培養(yǎng)動(dòng)物答題的習(xí)慣。最常見的訓(xùn)練方式就是給予食物獎(jiǎng)勵(lì)了。
比如，當(dāng)鴿子啄食圖片，或者猩猩觸摸屏幕上的圖片時(shí)，它們就能得到喜愛的食物作為獎(jiǎng)勵(lì)。在這個(gè)階段，動(dòng)物們只要做題就有獎(jiǎng)，不論對(duì)錯(cuò)。但是完成考前培訓(xùn)后，動(dòng)物們就需要憑“分?jǐn)?shù)”掙獎(jiǎng)勵(lì)了。
黑猩猩在訓(xùn)練后可以按順序觸摸屏幕數(shù)字
（圖片來源：京都大學(xué)靈長類研究中心）
那么，動(dòng)物的“智力測試”考什么內(nèi)容呢？會(huì)劃分學(xué)科嗎？
事實(shí)上，動(dòng)物智力可以被定義為動(dòng)物根據(jù)個(gè)體生活經(jīng)驗(yàn)改變行為，適應(yīng)新環(huán)境或解決新問題的能力。智力涵蓋了多種認(rèn)知能力，而“動(dòng)物限定卷”就可以根據(jù)認(rèn)知功能類型來劃分“學(xué)科”。
常見的認(rèn)知能力科目包括記憶力，時(shí)空感知能力，注意力，推理能力，概念認(rèn)知等。每個(gè)科目都有多個(gè)試題相互印證，這里介紹幾個(gè)有代表性的科目。
科目一：記憶力水平測試
題型最豐富的考試科目要數(shù)記憶力水平測試。考試內(nèi)容包括迷宮、延遲反應(yīng)測試等。其中，迷宮主要被用于檢驗(yàn)大鼠和小鼠的空間位置記憶能力，也常被用來檢測藥物對(duì)空間記憶的影響。
迷宮的種類繁多，形狀大小各異，較常用的有輻射臂迷宮、Y迷宮、T迷宮、水迷宮、巴恩斯迷宮等。這些迷宮的共同點(diǎn)是讓小動(dòng)物在固定的空間范圍內(nèi)探索，然后找到人為設(shè)定好的終點(diǎn)。小動(dòng)物的成績由探索過程中的路徑、到終點(diǎn)所需時(shí)間等參數(shù)決定。
不同的迷宮原理不盡相同，這里以小鼠為例著重介紹幾種常用的：
題目1——T迷宮 / Y迷宮
T迷宮
（圖片來源：Maze engineers）
T迷宮和Y迷宮都是由三個(gè)通道臂組成。迷宮利用藏在通道臂終點(diǎn)的美食誘惑小鼠探索。實(shí)驗(yàn)開始前，實(shí)驗(yàn)人員會(huì)將下方通道臂用擋板封住，并放入小鼠。取下?lián)醢搴螅鼈儽阊兜老蚯罢沂澄铩?/p>
雖然實(shí)驗(yàn)的操作非常簡便，對(duì)動(dòng)物的負(fù)面影響也較弱，但實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可能會(huì)受到小動(dòng)物對(duì)某個(gè)方向的偏好影響。比如天生偏好左側(cè)的小鼠可能對(duì)放在右側(cè)迷宮臂的食物 “無動(dòng)于衷”。
題目2——巴恩斯迷宮
巴恩斯迷宮
（圖片來源：Wikipedia: Barnes maze）
巴恩斯迷宮主要利用動(dòng)物的趨暗本能。晝伏夜出的被試者們?cè)谝粋€(gè)巨大圓盤上探索，試圖找到一個(gè)“隱秘的角落”來躲避頭頂?shù)墓庹铡A盤邊緣有很多同樣大小的洞，但只有一個(gè)可以通往暗盒躲避光照。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)動(dòng)物的負(fù)面影響同樣很弱，而且能更真實(shí)全面地考察動(dòng)物的記憶力水平。因?yàn)椤翱忌霸跍y試中面臨著更多的選擇，而不是像在三通道迷宮中一樣——即便盲猜也有50%的幾率答對(duì)。但是在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，被試者也容易四處探索，缺乏完成實(shí)驗(yàn)的動(dòng)力。個(gè)別膽大妄為的考生，甚至?xí)艿綀A盤邊緣體驗(yàn)高空俯瞰帶來的刺激。
題目3——水迷宮
水迷宮：左為清水，可見下方圓形浮臺(tái)
右為實(shí)驗(yàn)時(shí)，清水加入了染料
（圖片來源：Google 圖片）
水迷宮實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)大“浴缸”中進(jìn)行的，浴缸中有一個(gè)圓形浮臺(tái)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，水會(huì)被染色。訓(xùn)練時(shí)，小鼠一邊游泳，一邊探索，有時(shí)候能夠自己發(fā)現(xiàn)被淹沒的浮臺(tái)。如果較長時(shí)間沒有發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)者會(huì)引導(dǎo)被試者們到浮臺(tái)。
在“浴缸”四周有標(biāo)識(shí)，下次實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，小鼠就可以通過標(biāo)識(shí)更快地找到浮臺(tái)。可是為什么小鼠們即使看不見浮臺(tái)也要找它呢？主要是因?yàn)樾∈筇煨詤捤瑫r(shí)持續(xù)游泳消耗能量快。換作是我們，如果游泳累了也想盡快找到歇息的地方。
題目4——延遲反應(yīng)測試
除了各類迷宮，記憶力學(xué)科還包括延遲反應(yīng)測試。它主要通過動(dòng)物延后對(duì)信號(hào)做出反應(yīng)的準(zhǔn)確度，來檢測動(dòng)物的短期記憶能力。被試動(dòng)物們會(huì)收到一個(gè)信號(hào) （聲音，光）。這個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)一種獲取獎(jiǎng)勵(lì)的條件。
比如，在一個(gè)聽覺決策實(shí)驗(yàn)中，低頻的聲音對(duì)應(yīng)左邊的水嘴有水喝，高頻對(duì)應(yīng)右邊。小鼠首先進(jìn)行單一聲音的訓(xùn)練，通過單音訓(xùn)練分別學(xué)會(huì)這兩種對(duì)應(yīng)關(guān)系。
低頻聲音對(duì)應(yīng)左邊水嘴有水，高頻對(duì)應(yīng)右邊
（圖片來源：Xin, Y., Zhong, L., Zhang, Y., Zhou, T., Pan, J., & Xu, N. L. (2019). ）
正式實(shí)驗(yàn)的過程有點(diǎn)像央視一個(gè)“聽歌識(shí)曲”綜藝——《開門大吉》。動(dòng)物首先聽到一個(gè)聲音，暫停一段時(shí)間以后，由它們選擇是左邊還是右邊。這就好像參賽選手聽完歌后回憶歌曲，并選擇開哪扇門一樣。小鼠如果選錯(cuò)方向或者搶答都是沒有獎(jiǎng)勵(lì)的。延遲反應(yīng)測試已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于許多不同的物種，包括嚙齒類，靈長類，鳥類。
科目二：靈長類認(rèn)知能力綜合測試
如果說記憶力科目是一個(gè)知識(shí)點(diǎn)變著花樣考，那靈長類認(rèn)知能力綜合測試（PCTB）就是囊括了各個(gè)科目的知識(shí)點(diǎn)。它全面考察動(dòng)物們的綜合素質(zhì)，考試時(shí)間也更長。PCTB不僅在靈長類中使用，還被改良推廣到了鸚鵡等鳥類以及小鼠和狗等其他非靈長類哺乳動(dòng)物。
PCTB試題包括心理和物理層面。物理層面有空間，數(shù)量，因果推理三個(gè)大方向。心理層面包括社會(huì)學(xué)習(xí)，溝通，以及心智。每個(gè)大方向又有3-5個(gè)小方向，可謂包羅萬象。這樣做的優(yōu)勢和局限同樣明顯。PCTB具有的多種測試可以相互印證。科學(xué)家們通過把動(dòng)物行為和多個(gè)認(rèn)知標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)，能夠更全面地了解動(dòng)物的認(rèn)知水平。
比如，通過分析冬天歐亞松雞的儲(chǔ)糧行為，與PCTB測得它們的空間記憶能力，抑制控制能力，分類學(xué)習(xí)能力的關(guān)聯(lián)強(qiáng)弱，我們就可能推測出這幾種能力在儲(chǔ)糧行為中的相對(duì)重要性。
但由于PCTB流程繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)動(dòng)物數(shù)量和實(shí)驗(yàn)范式設(shè)計(jì)要求都較高，只適用于少數(shù)物種。同時(shí)，也因?yàn)橐蟾撸惶譖CTB實(shí)驗(yàn)很少有人重復(fù)，導(dǎo)致可信度有限。
題目1——工具使用
PCTB中用到的不同測試實(shí)驗(yàn)中，工具使用是曾一度被認(rèn)為是人類特有的能力。然而通過工具使用測試的動(dòng)物，除了我們的近親大猩猩等非人靈長類，還有大象，許多食肉哺乳動(dòng)物和烏鴉及其近親。
一種常用的測試方法是研究者給動(dòng)物出個(gè)難題，并提供相關(guān)的工具，觀察動(dòng)物是否會(huì)利用工具“作答”。舉一個(gè)經(jīng)典的例子：大家看下圖，樹上的果子大象是夠不著的，但是旁邊已經(jīng)準(zhǔn)備好了木箱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)大象為了夠到樹枝，會(huì)挪動(dòng)木箱到樹下墊高前肢。
大象自己“搬凳子”夠到樹枝美餐
（圖片來源：Foerder, P., Galloway, M., Barthel, T., Moore III, D. E., & Reiss, D. (2011).）
另一個(gè)工具使用的例子是陷阱管道測試，它可以同時(shí)檢測動(dòng)物的推理能力和解決問題能力。測試多用于烏鴉和靈長類動(dòng)物。就像下圖一樣，實(shí)驗(yàn)會(huì)用到一個(gè)透明管道。透明管道被放置在大猩猩的飼養(yǎng)籠里，管道兩端連通飼養(yǎng)籠的兩側(cè)。
猩猩在籠內(nèi)自由活動(dòng)時(shí)，可以從管道兩端伸入木棍，來獲取中間的食物。不過管道一側(cè)下方有一個(gè)方形陷阱。猩猩們需要用棍子把食物從右往左推出或者撥回食物，才能從管道取出吃到。如果食物掉進(jìn)陷阱，被試動(dòng)物就只有干著急了。
如果用木棍把食物往右推，就會(huì)掉入陷阱
（圖片來源：Mulcahy, N. J., & Call, J. (2006).）
類似的還有一種為烏鴉設(shè)計(jì)的“封蓋抽屜”實(shí)驗(yàn)。主要是測試烏鴉能不能自學(xué)成才，掌握抽屜的用法。科學(xué)家們?yōu)闉貘f量身定制了一個(gè)小抽屜。抽屜的側(cè)面用“把嘴”代替把手。烏鴉需要用嘴叼住抽屜側(cè)面的圓環(huán)并后退抽出，才能獲得食物。
烏鴉會(huì)用嘴抽出抽屜獲取食物
（圖片來源：Tebbich, S., Seed, A. M., Emery, N. J., & Clayton, N. S. (2007). ）
題目2——數(shù)量識(shí)別
除了前面介紹的幾種測試，另一個(gè)我們很熟悉的就是數(shù)量識(shí)別了。雖然不熟悉阿拉伯?dāng)?shù)字，但不少動(dòng)物都能識(shí)別和比較數(shù)量的多少。有些聰明的動(dòng)物，比如獼猴，還能計(jì)算簡單的加減法。
一只叫Alex的鸚鵡就因其可以用英語從1數(shù)到7而聞名。科學(xué)家們推測它可以識(shí)別更大的數(shù)，只是受到語言表達(dá)的限制才只數(shù)到7。數(shù)量識(shí)別測試通常是讓動(dòng)物比較圖片中不同元素的數(shù)量，也會(huì)像下圖一樣給一些不同顏色的積木。（鸚鵡的聰明可能超乎你想象，戳這里可get更多有關(guān)鸚鵡的有趣知識(shí)）
鸚鵡Alex 能用英語數(shù)出7個(gè)物體
（圖片來源：Google 圖片）
科目三：“閱讀理解”——心理測試
前面介紹的都是物理層面的試題，測試指標(biāo)相對(duì)比較客觀，科學(xué)家們“批改卷子”也比較好打分。相比之下，心理層面的試題讀起來要更開放一些。
比如社會(huì)學(xué)習(xí)通常是用類似前文中陷阱管道實(shí)驗(yàn)的謎題。在測試前，研究人員會(huì)演示謎題的答案，觀察被試動(dòng)物是否從演示中學(xué)會(huì)。但有時(shí)候研究者們很難判斷，它們是真的在演示中學(xué)會(huì)的，還是自己碰巧成功了。
另一個(gè)著名的“主觀題”是鏡子測試。測試過程本身非常簡單：只是在動(dòng)物身體上可觸不可見的部位，如面部，做一個(gè)標(biāo)記，觀察動(dòng)物照鏡子的反應(yīng)。然后研究者們根據(jù)動(dòng)物的反應(yīng)推測動(dòng)物能否認(rèn)出自己。如果動(dòng)物認(rèn)出鏡子里是自己，就很可能會(huì)對(duì)著鏡子觸摸標(biāo)記。
鏡子測試在50年前剛發(fā)明的時(shí)候，檢驗(yàn)的動(dòng)物還比較少。而且只有18個(gè)月以上的人類和一些黑猩猩可以通過，不過，2018年歐亞喜鵲也成功通過了鏡子測試。而獼猴，狗等都不能通過這項(xiàng)測試，它們會(huì)把鏡子的自己當(dāng)成是同類或者敵人。發(fā)明人蓋洛普便認(rèn)為這個(gè)測試揭示的本質(zhì)是自我意識(shí)，并相信這是比較少見的高級(jí)智慧。
狗狗無法認(rèn)出鏡子中的自己
（圖片來源：gfycat.com）
然而，對(duì)鏡子測試結(jié)果的解讀現(xiàn)在還頗具爭議。一方面鏡子測試依賴視覺，對(duì)于很多生活場景并不需要視力的動(dòng)物是很不公平的，有“歧視”部分考生的嫌疑。另一方面，很多動(dòng)物沒見過鏡子，它們并不能馬上了解鏡子的功能。比如鴿子和獼猴，但在經(jīng)過訓(xùn)練，學(xué)會(huì)鏡子可以反射影像以后，它們就可以表現(xiàn)出所謂的“自我意識(shí)”了。
大象和“自己”玩的不亦樂乎
（圖片來源：gfycat.com）
不過，也有些心理層面試題的判斷標(biāo)準(zhǔn)比較明確，比如注視跟隨實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)觀察動(dòng)物是否會(huì)隨著研究人員左右轉(zhuǎn)頭，而跟著看向?qū)?yīng)方向；或者通過指杯子實(shí)驗(yàn)，測試動(dòng)物是否會(huì)隨著研究人員的提示，而指向裝有食物的杯子。但不管是靈長類還是烏鴉，這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的成績都在及格線附近徘徊，和隨機(jī)猜的正確率相差無幾。
未來，可能測得更準(zhǔn)
檢驗(yàn)動(dòng)物物理層面認(rèn)知水平的測試，比如前文著重介紹的記憶力相關(guān)測試，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。相比之下，心理層面的認(rèn)知水平測試并不多，而且往往存在結(jié)果有爭議或難重復(fù)等問題。一個(gè)重要的原因是動(dòng)物不能說話，我們也很難理解動(dòng)物的語言。只能根據(jù)動(dòng)物的行為猜測它們的想法，這比《你畫我猜》還難得多。
但隨著腦機(jī)接口技術(shù)和計(jì)算機(jī)算力的不斷發(fā)展提升，神經(jīng)領(lǐng)域的科學(xué)家們對(duì)動(dòng)物大腦的認(rèn)識(shí)也在不斷加深。相信在不遠(yuǎn)的未來，我們就可以通過分析動(dòng)物在做各套“智力測試卷”時(shí)的腦電活動(dòng)，更加精細(xì)地理解動(dòng)物的認(rèn)知水平了。沒準(zhǔn)到時(shí)候，哈士奇智力的廬山真面目就能被科學(xué)揭曉了。
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作者單位：中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心
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