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想象正在觀看一部話劇。

幕布拉開，燈光亮起，人物魚貫登場(chǎng)。隨著情節(jié)展開，我們腦中會(huì)逐漸構(gòu)建一副人物關(guān)系網(wǎng)絡(luò)來(lái)，比如朋友敵人、情侶情敵、匪兵甲路人乙等等。更有趣的是，我們會(huì)進(jìn)一步以此形成新的知識(shí)，比如推理出兩個(gè)從沒(méi)一起出現(xiàn)過(guò)的人可能同屬一個(gè)陣營(yíng)?？梢哉f(shuō)，人類一個(gè)重要能力就是不斷追尋萬(wàn)事萬(wàn)物之間的關(guān)系，這也是人類智能的重要體現(xiàn)。因此，理解人腦如何學(xué)習(xí)和推理這些碎片化信息背后的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系結(jié)構(gòu)對(duì)于揭示人類智能基本機(jī)制具有重要意義。

為了研究這一問(wèn)題及其腦機(jī)制，北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院、麥戈文腦科學(xué)研究所的羅歡研究員和張航研究員課題組設(shè)計(jì)了一個(gè)新穎的序列預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)范式，并記錄高時(shí)間分辨率的腦電活動(dòng)。15幅隨機(jī)圖片（圖1A，右）被選取進(jìn)而嵌入到一個(gè)社區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖1A，左），圖片間的概率轉(zhuǎn)移關(guān)系由它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中的相互關(guān)系決定。課題組招募了人類受試來(lái)完成該圖片預(yù)測(cè)任務(wù)（圖1B）：他們觀看圖片流，預(yù)測(cè)下一幅圖片是什么，并通過(guò)反饋來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。換句話說(shuō)，受試從來(lái)沒(méi)有見過(guò)該社區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但如果他們能夠成功完成該預(yù)測(cè)任務(wù)，則表明他們已經(jīng)學(xué)會(huì)了這些圖片間的關(guān)系，即在腦中形成了該抽象的社區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1. 轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)和示例試次

行為表現(xiàn)上，人類受試確實(shí)習(xí)得了該“隱藏”的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)在預(yù)測(cè)成績(jī)的不斷提高。最為核心的發(fā)現(xiàn)是，研究者在人腦活動(dòng)中找到了該抽象關(guān)系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的神經(jīng)表征，大約出現(xiàn)在圖片呈現(xiàn)后的540~930毫秒。此外，該神經(jīng)表征和受試的預(yù)測(cè)行為存在緊密關(guān)系，即圖片的神經(jīng)表征相似性越高，其預(yù)測(cè)反映時(shí)也越快。進(jìn)一步，行為和神經(jīng)活動(dòng)上也發(fā)現(xiàn)了高階統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，表現(xiàn)在簇內(nèi)壓縮和簇間遠(yuǎn)離的特性。研究者進(jìn)而通過(guò)建立和比較多個(gè)計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)人腦采用了繼承者表征策略來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)和推理，形成高階結(jié)構(gòu)。

綜上所述，羅歡和張航課題組結(jié)合了行為、神經(jīng)、計(jì)算模型多種手段揭示了人腦從連續(xù)圖片流中抽取和學(xué)習(xí)其背后的“抽象”關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)而從該低階轉(zhuǎn)移概率中建立高階統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)（簇內(nèi)壓縮和簇間遠(yuǎn)離）的神經(jīng)機(jī)制和計(jì)算機(jī)理。

本研究以標(biāo)題為“Dynamic emergence of relational structure network in human brains”的標(biāo)題于11月10日在線發(fā)表于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)重要期刊Progress in Neurobiology上。北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院博士后任祥娟博士為本文第一作者。羅歡和張航為本文共同通訊作者。本研究獲得國(guó)家科學(xué)和技術(shù)創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目，北京大學(xué)新工科項(xiàng)目，北大–清華生命科學(xué)聯(lián)合中心以及北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心博士后項(xiàng)目資助。