文 | 追問 nextquestion
" 時序瓶頸 "（Sequence Bottleneck）是近年出現(xiàn)的概念，用以解釋人類在語言和高級認知能力的演化獨特性。例如，在視覺跟蹤任務中，動物難以同時關注多個動態(tài)目標 [ 1 ] ，但人類可以做到；視覺跟蹤任務對于那些完不成的動物來說就是一種時序瓶頸。例如鸚鵡可以模仿人類語言，海洋哺乳動物可以通過聲音交流，但為什么它們無法發(fā)展出類似人類的語言或文化？猴子和人類雖然有著共同的祖先，但為什么現(xiàn)在的猴子卻無法演化成人？
有一種觀點認為，非人類物種即使經過大量訓練，也難以完成復雜的時序辨別任務，而人類只需很少的練習就能擅長完成這些任務，這可能得益于人類編碼和解碼時序信息的獨特能力。近日，瑞典林雪平大學約翰 · 林德（Johan Lind）和斯德哥爾摩大學安娜 · 喬安德（Anna Jon-And），圍繞時序瓶頸的概念，結合語言演化、神經機制、高級認知與動物智能，發(fā)文探討人類認知的獨特性以及動物智能的局限 [ 2 ] 。他們研究了人類和其他物種之間的認知差異（特別是在時序記憶和辨別能力），發(fā)現(xiàn)人腦編碼和處理時序信息的卓越能力是人類與眾不同的認知基礎。
01 時序瓶頸與生物演化
對靈長類動物、鳥類和哺乳動物的研究發(fā)現(xiàn)，它們在時序學習中的表現(xiàn)存在顯著差異。某些鳥類（如鸚鵡）可以模仿復雜聲音，但實驗量化測量發(fā)現(xiàn)，它們缺乏將聲音轉化為語法化語言的能力；而海豚雖可通過聲音模式傳遞信息，但這些信號缺乏語法結構；猩猩和黑猩猩則能夠通過手勢和聲音表達需求，但也難以組合出復雜信息。
語言和高級智能在靈長類動物中的涌現(xiàn)，具有偶然性。通過語言，我們能夠交流思想、記錄歷史、分享經驗，并創(chuàng)造復雜的文化。然而，為什么在億萬年的生物演化（進化）中只有人類發(fā)展出了復雜的語言能力？其他物種為何難以突破認知界限（時序瓶頸）？
從神經機制來看，人類神經網(wǎng)絡與動物具有以下顯著差異。
神經元密度：人類大腦皮層的神經元密度顯著高于其他靈長類。
功能分區(qū)明確：語言相關的布羅卡區(qū)和威爾尼克區(qū)在大腦中高度發(fā)達 [ 1 ] 。
突觸可塑性：人類大腦的神經突觸具有更高的可塑性，有利于學習和記憶復雜信息。
當然，這些獨特的優(yōu)勢伴隨著相應的代價。一是能量消耗，人類大腦占身體總能量消耗的 20%，遠高于其他物種；二是人類幼年發(fā)育時間很長（幼態(tài)持續(xù)），這為語言和認知能力的發(fā)展提供充分的時間。
高級時序的處理能力，依賴大腦中前額葉皮層與其他腦區(qū)的協(xié)同工作，這種結構的演化需要消耗大量能量。由于物種生存優(yōu)先級的限制，在生物演化過程中，生物需要優(yōu)先保證基本生存需求（覓食、繁殖等），而這種生存機制可能壓制了高能耗的認知能力的出現(xiàn)或演化。反過來，復雜的時序處理需要記憶、注意力和預測能力，這些高級功能的實現(xiàn)基礎是具有一定復雜度的神經系統(tǒng)。只有高等動物才進化出了復雜的神經系統(tǒng)，而神經系統(tǒng)也會限制復雜時序能力的演化。
因此，處理復雜時序的能力，在演化過程中受到神經機制、能量代謝等多重限制，只有極少數(shù)物種可以突破這一瓶頸。
而語言和高級認知功能的基礎，就是對復雜時序的處理能力。語言時序可以分為兩類：線性序列，詞匯按一定順序排列形成句子；層級序列，句子結構包含嵌套關系，例如主從句和修飾成分的使用，句子的語法結構以及更高層次的敘述性表達等等。處理復雜時序的能力是語言的核心。
除了時序瓶頸，記憶痕跡（Memory Traces）也常被視為影響動物智能的重要機制。記憶痕跡則是個體在經歷某個事件后，保存在神經系統(tǒng)中的信息，它會影響個體的行為與學習能力 [ 3 ] 。
時序瓶頸和記憶痕跡的相互作用在動物智能中表現(xiàn)得尤為顯著。一方面，時序瓶頸可能影響記憶痕跡的形成和提取。例如，當動物在短時間內處理過多信息時，記憶痕跡的準確性會下降。另一方面，記憶痕跡的存在可以幫助緩解時序瓶頸的影響。例如，在覓食任務中，記憶痕跡使動物能夠減少對實時信息的依賴。
動物智能的表現(xiàn)形式與人不同。盡管動物在時序處理方面存在局限，但在它們各自的領域卻能表現(xiàn)出獨特的能力。例如，烏鴉能夠使用工具解決一些復雜問題；社會學習方面，猩猩和海豚可以通過觀察同伴來學習行為；空間記憶方面，某些鳥類能夠記住數(shù)百個藏食位置。動物智能的這些演化，常與其生存需求密切相關。覓食策略及其相關復雜行為，需要一定的認知能力；為了逃避捕食而預測捕食者的行為，提高了動物的生存率。
而社會互動和復雜的群體結構，則進一步促進了社會行為的演化。科學家通過機器學習技術解析動物的聲音數(shù)據(jù)，通過算法識別不同的聲學模式，并嘗試翻譯鯨類、鳥類等物種的 " 語言 "。研究表明，大多數(shù)動物只能處理簡單的線性序列，而無法理解較為復雜的序列。這背后的主要原因是短時記憶（即 " 記憶痕跡 "）的限制——動物的工作記憶容量通常較小，難以存儲多層次的信息。
相比人類，動物學習能力不足，無法快速適應變化的環(huán)境。動物缺乏語言系統(tǒng)，無法建立系統(tǒng)性和抽象性的表達方式。相應地，動物也無法在群體內積累和傳播知識。
02 語言是最高級別的時序瓶頸
人類語言在其組合形式、符號形式和時序形式上是獨一無二的。從沒有語言的世界到有語言的世界，非常具有挑戰(zhàn)性。時序瓶頸可以部分解釋其它動物沒有演化出語言的原因。當然，人類百萬年的演化路徑無法再現(xiàn)，也不一定適用于其它動物。但其中，解碼復雜的時序信息對于語言的出現(xiàn)和完善來說是必要的，這極大促進了人類智能的發(fā)展和團隊協(xié)作能力。
語言不僅是一種交流工具，更是人類認知的核心組成部分。語言使得經驗和技能得以代代傳遞，為文化和技術的進步奠定了基礎。語言提供了符號體系，用以表達復雜的抽象概念和邏輯關系。語言與智能具有協(xié)同演化的關系。這種協(xié)同演化進一步鞏固了人類在時序處理能力上的優(yōu)勢。更高的認知能力，使得語言結構更加復雜，表達能力更加多樣化。
人類大腦中發(fā)達的神經網(wǎng)絡支撐了語言的發(fā)展，反過來語言的使用也促進了大腦的發(fā)育。人類大腦前額葉皮層和相關的神經回路在時序處理中起關鍵作用，是時序處理和復雜認知的核心區(qū)域。前額葉皮層負責計劃、決策和抑制沖動行為，為復雜思維提供基礎。該區(qū)域與海馬體的協(xié)同作用，使得人類能夠記憶和處理長句子和復雜結構。相比之下，動物的腦容量小，結構相對簡單，它們的神經回路在時間維度上的處理能力較弱。這種神經機制的差異是語言和智能能力在人類中獨特存在的根本原因。
與語言進化有關的動物實驗研究，通常從符號規(guī)則或語法以及復雜的順序辨別角度進行分析。" 時序瓶頸 " 這一概念為語言起源問題提供了新視角，強調了動物在時序處理能力方面的演化瓶頸。約翰 · 林德指出，當今認知領域的研究成果不斷增加，年度發(fā)表的論文數(shù)量逐年攀升，但這也使得整合不同觀點變得愈發(fā)困難。研究者往往專注于各自的細分領域，導致跨領域的交流和互動較為有限。相比之下，動物的記憶系統(tǒng)存在特定的局限性，這種差異為我們理解人類與動物在行為模式、語言演化及學習模型上的不同提供了重要線索。
03 人類如何實現(xiàn) " 演化躍遷 "
人類語言和智能具有獨特性，雖然動物在一些方面表現(xiàn)出某些類人的特征。如黑猩猩的社會博弈行為、猩猩的工具使用等，體現(xiàn)了合作與競爭；海豚擁有復雜的 " 語法 " 系統(tǒng)，用于交流和合作；鳥類有學習與模仿的能力，如斑胸草雀能夠快速學會新歌。不過，這些特征與人類的表現(xiàn)相比，缺乏累積性、抽象性和擴展性。
在人類演化歷程中有著一系列關鍵性的轉折，使人類與其它靈長類動物區(qū)分開來。這些轉折包括：復雜工具如火的使用，石器的制造和使用，人的群居和技術傳承，部落文化的傳承等等。語言在人類演化當中不僅是溝通工具，更是抽象思維和社會協(xié)作的基礎。人類文化通過世代傳遞而逐步復雜和精致，這些是動物無法匹敵的方面。
語言能力的出現(xiàn)與大腦結構的改變可能相互促進，而一萬年前起步的農業(yè)革命則加速了基因組對飲食變化的適應（如乳糖耐受性基因的演化）。這種協(xié)同演化機制是人類區(qū)別于其他動物的核心驅動力?？梢哉f，基因與文化的雙向作用塑造了人類演化。
縱觀人類（Homo Sapiens）這 20 萬年的歷史，其獨特性來自語言、文化和社會結構的結合，而不是簡單的延續(xù)。人類的認知與行為能力是數(shù)量式的演化（" 連續(xù)性假說 "），還是一系列質的飛躍（" 斷裂假說 "）？文化是否具有與生物演化同等的重要性？現(xiàn)有的研究是否低估了動物的智能和行為復雜性？至少兩位瑞典學者在探討人類智能獨特性的同時，也試圖平衡這種偏見，承認動物有特定的認知能力。
04 科幻作品的先知先覺
一些小說雖然沒有明確提及時序瓶頸，但它們的核心思想與時序瓶頸類似，如語言的復雜性與人類智能的演化、人類認知能力的極限以及人類智能與機器智能的比較等。
例如，《三體》中的 " 智子計劃 " ——利用超微粒子制造的人工智能探測器 " 智子 "，可以實時監(jiān)控地球上的科學研究，并通過干擾粒子實驗阻止人類的科技進步。這一計劃本質上利用了人類信息處理的局限性：智子通過操控關鍵信息流，制造出科學探索中的 " 瓶頸 "，使得人類無法突破特定的認知和技術限制。這與 " 時序瓶頸 " 概念有相似之處，無論是動物在自然環(huán)境中的認知限制，還是人類在高維度干擾下的科技停滯，都體現(xiàn)了信息處理能力對智能發(fā)展的核心影響。
其他作品，如查理 · 斯特勞斯的《巴別塔之夢》（Embassytown），尼爾 · 斯蒂芬森的《雪崩》（Snow Crash），阿瑟 · 克拉克的《幼年終結》（Chidhood ’ s End），阿道夫 · 卡薩雷斯的《語言的囚徒》（The Invention of Morel）等科幻小說，涉及了語言、智能與認知等前沿科學問題。在未來的文學世界中，這一主題或將引發(fā)更豐富的想象與探討。
05 后記：無止境的前沿
人類通過關鍵性的演化躍遷（Evolutionary Transition），成為地球上獨一無二的物種。除了奇特的生物演化歷程，文化、語言和社會組織也發(fā)揮了很大作用。這一領域仍有許多未解之謎，例如時序瓶頸的神經基礎、動物智能的邊界、人類語言的本質等。而目前的神經影像學和基因編輯技術，有助于進一步探索時序瓶頸的神經和遺傳機制。
目前，認知科學、神經科學和演化生物學在動物智能與語言領域的研究方面，取得了許多重要成果。這些研究不僅揭示了動物是否具備語言能力以及與人類認知的異同，也有助于研究人類智能的演化機制。而解析 " 時序瓶頸 " 的概念，對人工智能設計而言，也具有深遠意義。例如，或可通過模擬人類大腦的時序處理機制，來提升自然語言處理技術。通過多學科的合作研究，人類或許能夠更全面地解碼語言、智能與生命的奧秘。
參考文獻
1. Miller EK, Cohen JD. An integrative theory of prefrontal cortex function. Annu Rev Neurosci. 2001;24:167-202. doi:10.1146/annurev.neuro.24.1.167
2. Lind J, Jon-And A. A sequence bottleneck for animal intelligence and language?. Trends Cogn Sci. Published online November 7, 2024. doi:10.1016/j.tics.2024.10.009
3. Tulving E. Episodic memory: from mind to brain. Annu Rev Psychol. 2002;53:1-25. doi:10.1146/annurev.psych.53.100901.135114
