腦子大小不是一切——孔雀魚的認知學習

■過去研究曾認為「大腦尺寸」決定不同物種在「抑制控制」認知能力的表現,如今在大腦相對袖珍的孔雀魚身上,觀察到與哺乳類與鳥類相近的表現。

圖片來源:維基百科

撰文|莊宇真

大腦的執行功能(executive functions)是當代認知神經科學關心的重點,執行功能代表一個生物體具有高階的認知與自律機制,能與他的行動之間有良好的協調。

其中,抑制控制(inhibitory control)是執行功能裡的重要關鍵,這個功能可以幫助生物體去抑制或延後一個想當然爾的反應,簡單地說就是能夠「hold得住」,然後因此達成某些特定的目標。因此在實驗室裡,通常會設計一些衝突、要求受試者必須延後反應等情境來測試這個功能。

能發展出良好的抑制控制能力,常被認為是人類與眾不同之處,或者至少是只有大型、具有複雜神經系統、已發展出重要認知功能的脊椎動物專屬的特徵。支持這個論點的主要證據是,即使是在孩童、或是在一些人類以外的靈長類動物身上,時常可以觀察到他們面對抑制控制課題的困難。

2014年一項實證研究針對30多種哺乳類與鳥類進行研究,結論主張抑制控制功能的表現與「大腦尺寸」成正相關的關係。

不過,一些後續的研究則有不同的見解,認為其實有些鳥類可以展現與人猿相近的能力,即使牠們的大腦明顯小於人猿。其他也有一些研究1,2在硬骨魚(teleost fish)身上觀察到這些本來被認為只有部分哺乳類和鳥類才有的認知能力。

因此,2017年10月一項發表在Scientific Reports期刊的研究中,來自義大利帕多瓦大學(Università di Padova)的研究團隊提出假設,認為魚類可能也可以啟動抑制控制功能,至少是在已知有演化出認知能力的魚種裡。

為了證明這個假設,這個由Tyrone Lucon-Xiccato博士後研究員主導的研究挑選了孔雀魚(guppy, 學名:Poecilia reticulata)作為研究對象;主要原因是,孔雀魚屬於生態地位廣泛的物種(ecological generalist species),推論是因為牠們在行為上具有相當大的靈活度,因此使牠們能成功進駐除了南極洲以外的各個大陸地區。

Lucon-Xiccato博士團隊於是設計兩組動作實驗(motor task)來看看孔雀魚在抑制控制能力的表現。

在第一組實驗裡,首先,訓練孔雀魚進入一個不透明的水平量筒並得到食物獎勵;接下來,量筒會被換成透明的,然後測試牠們成功進入透明量筒的成功率。在這個實驗裡,孔雀魚必須先抑制自己試圖穿越「透明」物體的衝動,然後從側邊開口進入量筒,才能成功取得食物。這個實驗方法與之前2014年針對30多種哺乳類及鳥類的研究是類似的,因此可以拿來比較孔雀魚跟其他動物的表現。

與2014年的研究相較之下,孔雀魚的表現其實不會比哺乳類與鳥類的平均表現差。在量筒實驗裡,孔雀魚的正確率為58.40 ± 11.07%(若只算前十次嘗試,大約是53%)。而2014的研究裡,除去人猿之後,所有動物的平均表現也是58%。而在個別孔雀魚中正確率最低的38%,比起部分哺乳類或鳥類的單獨表現都還要好(參考圖表)。

而考量到抑制控制表現會受到個體對該「獎勵」的價值觀影響,例如人類對於食物的抑制控制表現通常強過於金錢。因此,為了釐清孔雀魚的表現沒有受到這個因素影響,Lucon-Xiccato博士團隊設計了第二組實驗。

在第二組實驗裡,將食物獎勵換成「社交誘因」。隔著一道透明的隔板,有另一隻同類,孔雀魚必須學會繞過此障礙才能獲得獎勵。整體來說,孔雀魚在這個實驗裡的表現略低於量筒實驗(36 ± 21.51%)。研究團隊推測,可能原因是在這組實驗裡,孔雀魚必須同時學習「繞過障礙物」與「瞭解透明」這兩個任務;相較之下,第一組實驗是先完成「進入量筒」的訓練,才開始測試「瞭解透明」的這個任務。

根據實驗結果,Lucon-Xiccato博士團隊認為,之前以「大腦尺寸」決定抑制控制功能的假設,只能算是「部份地」解釋。因為孔雀魚的大腦比2014年的研究裡最小的大腦尺寸還要再小100倍。如果單純以「大腦尺寸」來PK「量筒實驗」的話,孔雀魚的表現可以說是非常優越的。綜合所有證據,團隊認為,單單是「大腦尺寸」並不能解釋不同物種之間在抑制控制能力表現的差異。

 

參考文獻:

  1. Lucon-Xiccato T, Gatto E, & Bisazza A (2017). Fish perform like mammals and birds in inhibitory motor control tasks. Scientific Reports 7, Article number: 13144. Published online:13 October 2017
  2. Morasch KC, & Bell MA (2011). The Role of Inhibitory Control in Behavioral and Physiological Expressions of Toddler Executive Function. J Exp Child Psychol 108(3): 593-606.

 

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