类别学习的神经心理学

摘 要类别学习的神经心理学研究是检验类别学习理论的一种有效研究范式,它有助于我们对类别学习理论的深入理解,以及对认知活动过程和脑机制的认识.作者对基底神经节功能障碍患者、遗忘症患者和其他类型的神经症患者的类别学习研究进行了回顾,对这些研究可能存在的单系统理论和多系统理论解释进行了讨论,并指出了研究中可能存在的取样偏差问题和未来研究中需要在研究手段、研究设计、被试取样等方面加以改进的建议.

关 键 词类别学习,单系统理论,多系统理论,神经心理学.

分类号B842

1导言

类别学习是通过练习学会判断类别成员的过程.类别学习有多种理论解释,如经典的分类理论（或规则理论）认为,类别学习是发现判断类别成员的充分必要条件的集合的过程；原型理论认为,类别学习是学会将新项目与原型进行相似性比较,从而决定新项目是否被判定为该类别成员的过程；样例理论认为,类别学习是学会将新项目与认知系统中所储存的所有类别样例进行比较（而不只是与原型比较）,从而确定新项目是否为该类别成员的过程[1].关于类别学习的解释,目前争论比较激烈的是多系统理论和单系统理论.如Ashby等人提出的一种多系统理论检测设,人类至少有两种分离的分类系统：一个是在意识控制下的基于外显推理的言语分类系统,一个是内隐的基于程序学习的非言语分类系统[2]；Anderson提出的陈述性知识和程序性知识的联合表征模型――思维适应性控制的修订模型（简称ACT-R模型）和Squire等人提出的陈述性知识表征和非陈述性知识表征分离的模型等,都属于多系统理论[3].而单系统理论认为,人类的类别学习只有一个系统,它可以进行不同类型知识的学习和表征.如前面提到的规则理论、原型理论和样例理论等都属于单系统理论.另外,Nosofsky等人针对Ashby等人的多系统理论提出了一种“难度理论”,也属于单系统理论.该理论认为,Ashby等人研究中的两种类别结构的学习之间的差异不是两个系统学习的结果,而是两种结构的分类任务在难度上存在差异[4].总之,各种理论的背后都有一系列用以支持理论的研究,其中神经心理学研究是检验类别学习理论的一种有效的研究范式.神经心理学是研究脑损伤患者的认知活动模式,它经常被用于检验两种学习系统分离效应,其中比较理想的是关于双重分离效应的研究.如有研究表明,遗忘症患者在需要外显记忆的再认学习中受到影响,在不需要外显记忆的分类学习中不受影响[5]；而基底神经节疾病患者在需要外显推理的分类任务中不受影响,而在内隐的基于程序学习的分类任务中受到影响[6].类别学习的神经心理学研究不仅可以对有关的理论检测设提供检验,而且还有助于我们了解认知活动的过程和脑机制.我们在简要回顾类别学习神经心理学研究的基础上,分析已有研究所存在的问题,指出未来研究的应注意的方面,为类别学习的深入研究提供借鉴.

2类别学习神经心理学研究的回顾

已有大量类别学习的神经心理学研究.为了更好地对这些研究进行分析和概括,我们从三个方面进行回顾：基底神经节疾病患者的类别学习研究、遗忘症患者的类别学习研究和其他类型的神经症患者的类别学习研究.

2.1基底神经节疾病患者的类别学习研究

基底神经节是包括杏仁核、新纹状体、苍白球和黑质等在内的一群密切关联的结构,它在比较复杂的行为（如认知）中发挥重要作用[7].帕金森症、亨廷顿症和威尔森症等都属于基底神经节疾病.有研究表明,新纹状结构可能是内隐系统学习的主要解剖基础之一,基底神经节可能涉及程序学习[2].对基底神经节功能障碍（如帕金森症）的研究结果强调,皮质-纹状系统（通过丘脑在新皮质和基底神经节之间相互连接）在几种内隐学习中起着主要作用[8].

帕金森症通常会导致产生多巴胺的细胞死亡,尤其是在黑质和在被盖腹区,结果导致帕金森症患者在黑质和被盖腹区的投射区的多巴胺水平下降,而这些区域涉及类别学习中起重要作用的结构,包括纹状体、前额皮质和前扣带回[2].所以,帕金森症可能对类别学习产生不利影响.Knowlton等人的一项研究探讨了帕金森症患者在最理想规则是非言语的类别学习任务中的学习情况.在这种学习任务中,没有最理想的可言语表述的规则.结果,帕金森症患者与年龄匹配的控制组相比,在非言语任务中受到不利的影响；除了他们的总体行为水平较差之外,帕金森症的严重性与类别学习成绩之间存在高的负相关（r等于－0.55）[6].研究结果支持了帕金森症患者在非言语类别学习中受到损害的检测设.

为了详细地考察基底神经节疾病患者的非言语表征的类别学习,Filoteo等人的一项研究比较了帕金森症患者和健康控制组被试在线性（linear）和非线性（nonlinear）两种条件下进行信息整合的类别学习[9].信息整合的类别学习是指被试在类别学习中要获得理想的正确率,必须对两种或两种以上维度在决策前阶段进行整合才能得到,这种类别学习的分类规则是不明显的,且是难以用语言表述的[2].在这个研究中,无论是线性规则还是非线性规则,理想的反应都要求整合两个刺激维度,都要求进行信息整合类别学习,所以都应该强调纹状体的作用.实验结果显示,与健康组被试相比,帕金森症患者在线性条件下的学习不受影响,而在非线性条件下的训练后期受到影响；对反应正确率进一步分析揭示,帕金森症患者在信息整合类别学习中受到影响.据此,研究者认为,信息整合的类别学习可能涉及纹状体[9].

然而,也有证据表明帕金森症患者在最理想规则容易用言语表述的类别学习任务中受到不利影响.Ashby等人在基于规则（rule-based）和信息整合两种任务中比较了帕金森症患者与老年控制组和年轻控制组的类别学习.在基于规则任务中,类别成员容易被用言语表达的外显规则所界定；而在信息整合任务中,没有明显的言语规则,且只有当来自各个刺激成分的信息在决策前阶段被整合的情况下才能获得最高的正确率.研究结果显示：年轻控制组在两种任务中表现都是最好的；与老年控制组相比,帕金森症患者的学习在基于规则分类任务中受到严重的干扰,而在信息整合任务中与老年控制组没有显著性差异[10].这个结果支持了不同性质结构的类别学习分别是由功能上分离的系统进行的检测设.

针对帕金森症患者在不同类别学习任务中的行为结果不一致这一现象,Smith等人最近的一项研究通过检查帕金森症患者在概率分类的习惯学习任务中学习人工语法系统的能力,探讨基底神经节在类别知识获得过程中的作用.研究使用18个无精神错乱的帕金森症被试和22个匹配的控制组被试.研究结果显示,帕金森症患者在人工语法学习上表现较差,更确切地说是在任务的早期；帕金森症患者的分类行为受到影响与在测验中所要获得的陈述性知识无关,也不依赖于前额叶皮质功能.研究者根据这些结果得出,帕金森症患者在先前的不同类别学习任务中的不一致行为可以被解释为,至少部分被解释为,在刺激与类别反应之间是否需要形成联结.研究结果支持基底神经节在复杂的分类学习中起重要作用的检测设[8].

亨廷顿症和帕金森症都属于基底神经节疾病,但两者有所不同.帕金森症是导致产生多巴胺的细胞死亡,而亨廷顿症是攻击和杀死纹状体中尾状核的输出细胞,因而,两者在类别学习任务中所受到的损害应有所不同[2].

Knowlton和Squire的一项研究得出亨廷顿症患者在人工语法学习方面不受影响的结果.在这个研究中,使用23个符合语法的字母串,被试学习这些训练项目,然后再给他们呈现46个新字母串,一半字母串产生于同样的人工语法,一半不是.被试的任务是决定新字母串是否符合人工语法.从技术上讲,人工语法学习也是一种分类学习,因为有两种类别（符合语法和不符合语法）,每一种类别包含多个样例.在这项测验中,亨廷顿症患者的表现并不比年龄匹配的控制组更差[11].这一结果表明,亨廷顿症患者在类别学习中与帕金森患者的表现有所不同.

另外,由于亨廷顿症杀死的尾状核的输出细胞有些是内隐系统的反应细胞,因而,亨廷顿症患者也有可能在最理想规则是非言语的类别学习任务中受到不利的影响.Knowlton和Squire使用与Knowlton等人在帕金森症实验中相同的作业进行检验,结果表明,亨廷顿症患者与年龄匹配的控制组相比在非言语分类作业中明显受损[11].这一结果又反映了亨廷顿症患者在类别学习中与帕金森症患者的表现有相似的地方.

综上所述,亨廷顿症和帕金森症都属于基底神经节疾病,两者在非言语类别学习中都会受到影响,但是两者在类别学习中所受到的影响有所不同.

2.2遗忘症患者的类别学习研究

遗忘症是另一种研究类别学习的神经心理学条件.在大多数这类研究中,重点是中颞叶遗忘症.中颞叶遗忘症患者有海马结构损伤（有时包括侧海马回）,但在通常情况下,他们有完好的基底神经节和额叶皮质,因此,他们应能表现正常的类别学习.

一个经常被引用的、用以支持分类与再认分离的研究是Knowlton和Squire的研究.Knowlton和Squire用圆点图形考察了遗忘症组和匹配的控制组的类别学习.在分类任务中,被试在计算机屏幕上观看各种类别样例,然后被要求对可能是类别成员的、也可能不是类别成员的各种新样例进行分类；在再认任务中,被试在屏幕上观看几个不相关的项目,然后进行新、旧再认测验.最重要的结果是,尽管遗忘症患者的学习成绩在再认任务中受到较大的干扰,但在分类任务中与控制组没有显著差异.这个证据被用来支持这样的观点：相对于样例模型（单系统模型）的检测设,分离的表征系统分别进行分类和外显记忆.即遗忘症患者的外显记忆系统受到影响,导致在新、旧再认任务中行为较差,而负责分类的程序系统没有受到影响[5].

这类研究还有使用不同的刺激材料来进行的,如卡通动物分类、人工语法学习和天气预报任务等.Reed等人的一项研究把Knowlton和Squire的结果推广到在9个二元值维度上变化的动物线条图形研究中.在训练阶段,被试观看各种卡通动物原型图片的低水平变式,在随后的测验阶段,要求被试指出某个具体的新项目是否是先前看过的类别的成员；另外对被试进行外显记忆测验,在测验中要求被试回忆9个维度中的任意1个的两个可能的维度值.尽管遗忘症患者在外显记忆测验中显著受到影响,但是他们的分类水平与控制组相同[12].

然而,这些数据也可以用单系统理论来解释.Nosofsky和Zaki认为,根据样例模型,分类和再认都依赖单一表征系统,进行任何一种判断都使用同一表征系统.记忆损伤可能对再认任务的损害比对分类任务的损害更大.因为在分类任务中,被试只需要对先前看过的项目有模糊的感觉就能完成任务,而在再认任务中,却要求被试记得旧项目的细节[13].

Nosofsky和Zaki进行了两个研究对单系统检测设提供支持.在第一个研究中,研究者延迟了Knowlton和Squire分类任务的测验阶段.结果延迟对正常被试产生记忆干扰.延迟在分类任务中导致行为水平下降较小,在再认任务中导致行为水平下降明显,就像遗忘症患者的再认学习结果一样.在第二个研究中,Nosofsky和Zaki模拟了Knowlton和Squire的数据,运用一种样例模型――概化背景模型.在这个分析中,他们认为,只要对遗忘症患者的记忆敏感性参数设置得比控制组水平低一些,该模型就能精确地预测Knowlton和Squire的数据.所以,Nosofsky和Zaki认为Knowlton和Squire的研究并不意味着两个记忆系统的分离[13].

另外,Zaki和Nosofsky在另一项研究中陈述到,Reed等人关于动物线条图形的结果与单系统解释是一致的.对于Reed等人的刺激,刺激的维度在类别内是高度相关的,以至于被试能够毫不费力地将注意集中于任何一个维度,并在分类任务中表现出正常的水平.Zaki和Nosofsky使用Reed等人任务的延迟测验版本测验被试,结果像遗忘症患者一样,延迟在分类任务中导致较小的行为水平的下降,在外显记忆任务中导致较大的下降.而样例模型分析表明,被试在分类任务中确实只注意少数几个刺激维度,所以,分类与外显记忆间的分离可以按照不同任务要求来解释,而不是按照分离的系统来解释[14].

另外,Hopkins等人对有海马损伤的血氧不足被试的概率类别学习进行检验,得到了这种患者在分类学习中受到不利影响的结果,并且确定了学习受影响的时期.在这个研究中,研究者检验了9个患有血氧不足脑损伤的个体,他们被脑成像证实有双侧海马损伤和顺行性遗忘症.实验在天气预报任务和一种变式的“冰淇淋”任务中考察双侧海马损伤的遗忘症被试和匹配的控制组被试的类别学习.研究结果显示,血氧不足被试相对于控制组在两项任务中都受干扰；在冰淇淋任务中,这种差异甚至在训练早期（前50个试验）就表现出来.另外,对学习期间的反应策略的分析表明,血氧不足组比控制组更严重依赖简单的、退化的学习策略,依据这种策略只能准确回答少数“容易”的图形.控制组倾向使用许多策略,包括最理想的多个线索策略.根据这些结果,研究者认为遗忘症患者在概率类别学习中不受影响的结论应受到限制：至少在一些情况下,遗忘症患者显示出早期受干扰和持续地受干扰[15].这一结果与Knowlton等人的发现遗忘症患者学习受干扰的研究结果相似,所不同的是,Knowlton等人所发现的受干扰出现在学习的后期,而不是早期[6].

以上的研究结果说明,遗忘症患者在类别学习中多少会受到一些影响,可能在不同的情况下（如不同的类别学习任务）,遗忘症患者显示出受影响的程度不同,或者受影响的时期不同.

2.3其他类型神经疾病患者的类别学习研究

有人对抑郁症患者的类别学习进行了研究.大多数抑郁症被认为是由单胺通道上的功能障碍引起的.由于单胺通道投射到一个广泛的神经位置,因而在广泛的认知和运动任务中都可能受到抑郁的影响；此外他们在威斯康星卡片分类测验（WisconsinCardSortingTest,WCST）中受到影响和在规则转换任务中表现出言语重复症（这是前额叶皮质功能障碍的标志）.因此,相对于年龄匹配的控制组,抑郁症患者可能会在最理想规则可以用言语表达的分类任务中受到影响而在最理想规则难以用言语表达的任务中不受影响[2].

Smith,Tracy和Murray的研究检验了这一预测.实验中抑郁组和非抑郁组被试参加了两个类别任务,这两个类别是通过在4个维度上变化的刺激（字母串或脸谱简图）来建构的.在一个类别任务中,最理想规则是可言语表达的（单维度的）；在另一个任务中,最理想规则是难以用言语表达的.结果显示：在难以用言语表达的任务中,抑郁组与控制组的行为之间没有差异；而在可言语表达的任务中,相对于非抑郁的控制组,抑郁组的行为受到影响,抑郁组被试需要明显多的训练才能达到标准值[16].这一结果支持多系统理论.

Keri等人对患有阿尔兹海默病患者的再认和分类行为关系进行探讨,试图确定新皮质区域是否干扰内隐类别学习.检测如不干扰,阿尔兹海默病患者的行为将与遗忘症患者的行为类似（再认受到影响而分类没有受到影响）.因为,有意识的陈述性记忆损害是阿尔兹海默病最重要的症状之一,这种记忆损害与中颞叶区域结构或新陈代谢的异常有关；而无意识和自动化的非陈述性记忆功能,如知觉重复启动,直到阿尔兹海默病的后期阶段才受到损害.这项研究对25个阿尔兹海默病被试在圆点图形中的再认和分类进行研究.结果显示,控制组对原型项目的分类成绩最高,而阿尔兹海默病患者似乎表现出对原型图形有选择性的损害；在出现新的变式情况下,控制组表现出相对较低的水平,因为这些刺激与所储存的原型不太相似；而阿尔兹海默病患者在“低”和“高”变式中都表现出相对较高的水平.这些结果表明,控制组可能运用基于原型的方式学习类别,而阿尔兹海默病患者运用基于样例的方式学习.而对再认成绩的分析表明,阿尔兹海默病患者在各个刺激类型上的再认成绩都比控制组低.这些结果说明学习受影响只是对于原型刺激,非原型的圆点图形的分类不受影响.这种受影响的类别学习反映阿尔兹海默病的特定通道的新皮质区域可能受到一定的损伤,而对项目知识的陈述性记忆损害则较大[17].

另外,Keri等人在知觉抽象测验方面评估精神分裂症患者的类别学习.语义记忆的混乱是精神分裂症患者神经心理学方面的重要特征,所以,对于精神分裂症患者,知觉的和概念的分类学习方面可能都会受到干扰[18].Keri等人使用离散类别（discretecategories）和等级类别（gradedcategories）两种知觉类别来探讨精神分裂症患者的类别学习.离散类别被定义为,具有给定类别的特征,这些特征的出现或缺失以全或无的方式决定类别成员,这些界定良好的类别是容易用语言表述的；等级类别是一种平均中心趋势,是几个个别样例（原型）的概括表征,等级类别是界定不良的,是难以用语言表述和清晰定义的.实验相继运用三种形式的学习：类别样例的系列呈现、言语描述和反馈.研究结果显示,精神分裂症患者比控制组要求更多的刺激呈现去探测与类别相关的元素；而在系列呈现之后,精神分裂症患者在等级类别任务的学习中显著受到影响,而在离散类别任务的学习中未受到影响.这表明精神分裂症患者能学习和储存简单的、定义良好的视觉类别的信息.另外,在对等级类别的言语定义之后,控制组与精神分裂症患者之间的差异不存在了,这说明等级类别的语言定义对精神分裂症患者受到损害的知觉学习能力可能给与补偿；然而在等级类别的反馈学习之后,精神分裂症被试的成绩又显著低于控制组的成绩,说明反馈学习没有显著改变精神分裂症组的分类成绩,而显著改变控制组的分类成绩.总之,这些结果说明精神分裂症患者在抽象的知觉阶段受到不利的影响,但这种不利的影响能通过自上而下的言语加工指导而得到部分补偿[18].

3已有研究存在的问题

通过对已有研究的回顾,不难看出,有些研究结果支持类别学习的多系统理论,有些研究结果支持类别学习的单系统理论.比如,Filoteo等人得出帕金森症患者在线性条件下的学习不受影响,而在非线性条件下受到影响；Ashby等人得出帕金森症患者在基于规则分类任务的学习中受到严重的影响,而在信息整合任务的学习中没有受到影响；Knowlton和Squire得出遗忘症患者在再认任务的学习中受到较大的影响,而在分类任务的学习中不受影响；Reed等人得出遗忘症患者在外显记忆测验中受到显著的影响,而在分类行为中不受影响；Smith等人得出抑郁组被试在难以用言语表达的任务中不受影响,而在可言语表达的任务中受到影响；Keri等人得出阿尔兹海默病患者似乎表现出对原型图形的分类学习受到影响,而在非原型的圆点图形的分类学习不受影响；Keri等人得出的精神分裂症患者在等级类别任务的学习中受到显著的影响,而在离散类别任务的学习中没有受到影响.这些结果都支持两个系统分离的检测设,即支持多系统理论的解释.

但是,这些结果除了Ashby等人的研究结果外,都可以用单系统理论来解释.如Filoteo等人得出的结果可以解释为线性条件下的学习比较容易,而非线性条件下的学习比较难；Knowlton和Squire的研究结果以及Reed等人的研究结果可以解释为再认任务比分类任务要求更多的记忆资源；Smith等人、Keri等人的研究结果可以解释为非言语类别学习任务比言语类别学习任务更难.而且,Nosofsky和Zaki还采用延迟测验和运用样例模型分析的方法得出支持单系统理论的结果.此外,Zaki的一项对遗忘症患者的类别学习研究的元分析结果支持单系统理论[19].所以,仅仅根据这些研究结果我们还很难断定到底是单系统理论正确还是多系统理论正确.因此,还有必要进一步进行研究和检验.

此外,在上述研究中还存在一些有待进一步解决的问题.首先,我们认为这些研究的被试取样有偏颇：一个是这些研究中患者被试的数量较小.在上面所介绍的研究中,除了Keri等人关于阿尔兹海默病患者的研究中患者被试是25个（最多的）以外,其他研究中被试数量都不超过20个,Hopkins等人研究的实验1中只有7个被试.由于被试量较小,所得到结果的代表性就较差.二是神经症患者被试的个体差异较大.个体差异包括年龄差异、性别差异、受教育水平的差异等.如：从年龄差异来看,Ashby等人和Filoteo等人研究中的帕金森症被试的平均年龄为67岁,而Smith等人研究中的帕金森症被试平均年龄为58岁；从性别差异来看,Filoteo等人研究中的20个被试是11男9女,Smith等人研究中的18个被试是12男6女,Keri等人的25个阿尔兹海默病被试是20女5男,Keri等人的20个精神分裂症被试是14男6女；从受教育水平来看,Ashby等人和Filoteo等人研究中的帕金森症被试的平均受教育年限分别为17和16.4年,而其它研究中的患者被试平均受教育年限只有12年左右.这些被试间的个体差异导致不同研究者得出的研究结果难以归因于自变量的影响,有可能是被试因素造成的,或者自变量与被试因素交互作用造成的.

其次,神经症患者一般都兼有其它方面的损伤,不同研究中患者被试的各种损伤程度不尽相同,而损伤程度的不同极有可能导致同一种类型的患者产生不同的学习结果,如Knowlton等人研究得出帕金森症的严重性与类别学习成绩之间存在负相关（r等于－0.55）[6]；而同是基底神经节疾病患者,尾状核尾的损伤会导致患者在非言语类别学习中受到影响,而尾状核头的损伤会导致患者在言语类别学习中受到影响[2].可能正是由于这个原因,造成Ashby等人的研究中得出帕金森症患者的言语类别学习受到影响的结论,而其他研究者得出帕金森症患者在非言语类别学习中受到影响结论.正如Ashby等人自己所总结的那样,帕金森症患者可能在各种分类学习活动中都有缺陷,这主要取决于不同病人的严重程度上的差异和在由尾状核的尾、头和额叶皮质区域损伤量的差异[2].

由此可见,关于类别学习的神经心理学研究还需要进一步改进,单系统理论和多系统理论之争也还会持续相当长的一段时间.因此,未来的研究要从多个角度、运用多种研究方法和手段来进行验证.

4未来研究的建议

经过上述回顾与分析,我们对未来的研究提出以下三个方面的建议：（1）将类别学习的神经心理学研究与认知神经科学研究结合起来,运用脑成像技术对患者大脑的损伤部位进行比较精确地诊断,并对被试学习过程中的神经活动进行检测,进一步验证类别学习的两种系统理论；（2）在上面的研究中,大多采用单一分离任务的实验设计,而在今后的研究中,建议尽量采用双重分离任务的实验设计,例如,选择个体差异较小的遗忘症患者和基底神经节疾病患者被试,让他们都完成同样的言语任务和非言语任务的学习,以考察这两种疾病患者的学习是否出现双重分离,这种实验设计的研究结果更有利于鉴别哪种理论解释更合理；（3）在被试取样方面要尽量缩小被试间的差异,并增加被试的数量.这样得出的研究结果更具有代表性和客观性.