文 | 追问nextquestion
“时序瓶颈”（Sequence Bottleneck）是近年出现的概念，用以解释人类在语言和高级认知能力的演化独特性。例如，在视觉跟踪任务中，动物难以同时关注多个动态目标[1]，但人类可以做到；视觉跟踪任务对于那些完不成的动物来说就是一种时序瓶颈。例如鹦鹉可以模仿人类语言，海洋哺乳动物可以通过声音交流，但为什么它们无法发展出类似人类的语言或文化？猴子和人类虽然有着共同的祖先，但为什么现在的猴子却无法演化成人？
▷ 图1. 蓝鲸与虎鲨间的对话. 绘者：JoAnna Wendel
有一种观点认为，非人类物种即使经过大量训练，也难以完成复杂的时序辨别任务，而人类只需很少的练习就能擅长完成这些任务，这可能得益于人类编码和解码时序信息的独特能力。近日，瑞典林雪平大学约翰·林德（Johan Lind）和斯德哥尔摩大学安娜·乔安德（Anna Jon-And），围绕时序瓶颈的概念，结合语言演化、神经机制、高级认知与动物智能，发文探讨人类认知的独特性以及动物智能的局限[2]。他们研究了人类和其他物种之间的认知差异（特别是在时序记忆和辨别能力），发现人脑编码和处理时序信息的卓越能力是人类与众不同的认知基础。
▷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
01 时序瓶颈与生物演化
对灵长类动物、鸟类和哺乳动物的研究发现，它们在时序学习中的表现存在显著差异。某些鸟类（如鹦鹉）可以模仿复杂声音，但实验量化测量发现，它们缺乏将声音转化为语法化语言的能力；而海豚虽可通过声音模式传递信息，但这些信号缺乏语法结构；猩猩和黑猩猩则能够通过手势和声音表达需求，但也难以组合出复杂信息。
▷ 图2. 海豚的注意力瓶颈与猩猩的时序瓶颈. 图源：[2]
语言和高级智能在灵长类动物中的涌现，具有偶然性。通过语言，我们能够交流思想、记录历史、分享经验，并创造复杂的文化。然而，为什么在亿万年的生物演化（进化）中只有人类发展出了复杂的语言能力？其他物种为何难以突破认知界限（时序瓶颈）？
从神经机制来看，人类神经网络与动物具有以下显著差异。
▪ 神经元密度：人类大脑皮层的神经元密度显著高于其他灵长类。
▪ 功能分区明确：语言相关的布罗卡区和威尔尼克区在大脑中高度发达[1]。
▪ 突触可塑性：人类大脑的神经突触具有更高的可塑性，有利于学习和记忆复杂信息。
当然，这些独特的优势伴随着相应的代价。一是能量消耗，人类大脑占身体总能量消耗的20%，远高于其他物种；二是人类幼年发育时间很长（幼态持续），这为语言和认知能力的发展提供充分的时间。
高级时序的处理能力，依赖大脑中前额叶皮层与其他脑区的协同工作，这种结构的演化需要消耗大量能量。由于物种生存优先级的限制，在生物演化过程中，生物需要优先保证基本生存需求（觅食、繁殖等），而这种生存机制可能压制了高能耗的认知能力的出现或演化。反过来，复杂的时序处理需要记忆、注意力和预测能力，这些高级功能的实现基础是具有一定复杂度的神经系统。只有高等动物才进化出了复杂的神经系统，而神经系统也会限制复杂时序能力的演化。
因此，处理复杂时序的能力，在演化过程中受到神经机制、能量代谢等多重限制，只有极少数物种可以突破这一瓶颈。
而语言和高级认知功能的基础，就是对复杂时序的处理能力。语言时序可以分为两类：线性序列，词汇按一定顺序排列形成句子；层级序列，句子结构包含嵌套关系，例如主从句和修饰成分的使用，句子的语法结构以及更高层次的叙述性表达等等。处理复杂时序的能力是语言的核心。
▷图3. 语言时序. 图源：Greco, Matteo & Cometa, Andrea & Artoni, Fiorenzo & Frank, Robert & Moro, Andrea. (2023). False perspectives on human language: why statistics needs linguistics. 10.48550/arXiv.2302.08822.
除了时序瓶颈，记忆痕迹（Memory Traces）也常被视为影响动物智能的重要机制。记忆痕迹则是个体在经历某个事件后，保存在神经系统中的信息，它会影响个体的行为与学习能力[3]。
时序瓶颈和记忆痕迹的相互作用在动物智能中表现得尤为显著。一方面，时序瓶颈可能影响记忆痕迹的形成和提取。例如，当动物在短时间内处理过多信息时，记忆痕迹的准确性会下降。另一方面，记忆痕迹的存在可以帮助缓解时序瓶颈的影响。例如，在觅食任务中，记忆痕迹使动物能够减少对实时信息的依赖。
动物智能的表现形式与人不同。尽管动物在时序处理方面存在局限，但在它们各自的领域却能表现出独特的能力。例如，乌鸦能够使用工具解决一些复杂问题；社会学习方面，猩猩和海豚可以通过观察同伴来学习行为；空间记忆方面，某些鸟类能够记住数百个藏食位置。动物智能的这些演化，常与其生存需求密切相关。觅食策略及其相关复杂行为，需要一定的认知能力；为了逃避捕食而预测捕食者的行为，提高了动物的生存率。
而社会互动和复杂的群体结构，则进一步促进了社会行为的演化。科学家通过机器学习技术解析动物的声音数据，通过算法识别不同的声学模式，并尝试翻译鲸类、鸟类等物种的“语言”。研究表明，大多数动物只能处理简单的线性序列，而无法理解较为复杂的序列。这背后的主要原因是短时记忆（即“记忆痕迹”）的限制——动物的工作记忆容量通常较小，难以存储多层次的信息。
▷ 图4. 动物的记忆痕迹. 图源：[2]
相比人类，动物学习能力不足，无法快速适应变化的环境。动物缺乏语言系统，无法建立系统性和抽象性的表达方式。相应地，动物也无法在群体内积累和传播知识。
02 语言是最高级别的时序瓶颈
人类语言在其组合形式、符号形式和时序形式上是独一无二的。从没有语言的世界到有语言的世界，非常具有挑战性。时序瓶颈可以部分解释其它动物没有演化出语言的原因。当然，人类百万年的演化路径无法再现，也不一定适用于其它动物。但其中，解码复杂的时序信息对于语言的出现和完善来说是必要的，这极大促进了人类智能的发展和团队协作能力。
语言不仅是一种交流工具，更是人类认知的核心组成部分。语言使得经验和技能得以代代传递，为文化和技术的进步奠定了基础。语言提供了符号体系，用以表达复杂的抽象概念和逻辑关系。语言与智能具有协同演化的关系。这种协同演化进一步巩固了人类在时序处理能力上的优势。更高的认知能力，使得语言结构更加复杂，表达能力更加多样化。
人类大脑中发达的神经网络支撑了语言的发展，反过来语言的使用也促进了大脑的发育。人类大脑前额叶皮层和相关的神经回路在时序处理中起关键作用，是时序处理和复杂认知的核心区域。前额叶皮层负责计划、决策和抑制冲动行为，为复杂思维提供基础。该区域与海马体的协同作用，使得人类能够记忆和处理长句子和复杂结构。相比之下，动物的脑容量小，结构相对简单，它们的神经回路在时间维度上的处理能力较弱。这种神经机制的差异是语言和智能能力在人类中独特存在的根本原因。
▷ 图5. 猴子和人类的听觉皮层和额叶之间的双向连接. 图源：Poliva O. From where to what: a neuroanatomically based evolutionary model of the emergence of speech in humans. F1000Res. 2015;4:67. Published 2015 Mar 13. doi:10.12688/f1000research.6175.3
与语言进化有关的动物实验研究，通常从符号规则或语法以及复杂的顺序辨别角度进行分析。“时序瓶颈”这一概念为语言起源问题提供了新视角，强调了动物在时序处理能力方面的演化瓶颈。约翰·林德指出，当今认知领域的研究成果不断增加，年度发表的论文数量逐年攀升，但这也使得整合不同观点变得愈发困难。研究者往往专注于各自的细分领域，导致跨领域的交流和互动较为有限。相比之下，动物的记忆系统存在特定的局限性，这种差异为我们理解人类与动物在行为模式、语言演化及学习模型上的不同提供了重要线索。
03 人类如何实现“演化跃迁“
人类语言和智能具有独特性，虽然动物在一些方面表现出某些类人的特征。如黑猩猩的社会博弈行为、猩猩的工具使用等，体现了合作与竞争；海豚拥有复杂的“语法”系统，用于交流和合作；鸟类有学习与模仿的能力，如斑胸草雀能够快速学会新歌。不过，这些特征与人类的表现相比，缺乏累积性、抽象性和扩展性。
▷《猩球崛起》为何只发生在科幻电影中？图源：Gooffon
在人类演化历程中有着一系列关键性的转折，使人类与其它灵长类动物区分开来。这些转折包括：复杂工具如火的使用，石器的制造和使用，人的群居和技术传承，部落文化的传承等等。语言在人类演化当中不仅是沟通工具，更是抽象思维和社会协作的基础。人类文化通过世代传递而逐步复杂和精致，这些是动物无法匹敌的方面。
语言能力的出现与大脑结构的改变可能相互促进，而一万年前起步的农业革命则加速了基因组对饮食变化的适应（如乳糖耐受性基因的演化）。这种协同演化机制是人类区别于其他动物的核心驱动力。可以说，基因与文化的双向作用塑造了人类演化。
纵观人类（Homo Sapiens）这20万年的历史，其独特性来自语言、文化和社会结构的结合，而不是简单的延续。人类的认知与行为能力是数量式的演化（“连续性假说”），还是一系列质的飞跃（“断裂假说”）？文化是否具有与生物演化同等的重要性？现有的研究是否低估了动物的智能和行为复杂性？至少两位瑞典学者在探讨人类智能独特性的同时，也试图平衡这种偏见，承认动物有特定的认知能力。
04 科幻作品的先知先觉
一些小说虽然没有明确提及时序瓶颈，但它们的核心思想与时序瓶颈类似，如语言的复杂性与人类智能的演化、人类认知能力的极限以及人类智能与机器智能的比较等。
例如，《三体》中的“智子计划”——利用超微粒子制造的人工智能探测器“智子”，可以实时监控地球上的科学研究，并通过干扰粒子实验阻止人类的科技进步。这一计划本质上利用了人类信息处理的局限性：智子通过操控关键信息流，制造出科学探索中的“瓶颈”，使得人类无法突破特定的认知和技术限制。这与“时序瓶颈”概念有相似之处，无论是动物在自然环境中的认知限制，还是人类在高维度干扰下的科技停滞，都体现了信息处理能力对智能发展的核心影响。
▷《三体》海报. 图源：同名剧集
其他作品，如查理·斯特劳斯的《巴别塔之梦》（Embassytown），尼尔·斯蒂芬森的《雪崩》（Snow Crash），阿瑟·克拉克的《幼年终结》（Childhood’s End），阿道夫·卡萨雷斯的《语言的囚徒》（The Invention of Morel）等科幻小说，涉及了语言、智能与认知等前沿科学问题。在未来的文学世界中，这一主题或将引发更丰富的想象与探讨。
05 后记：无止境的前沿
人类通过关键性的演化跃迁（Evolutionary Transition），成为地球上独一无二的物种。除了奇特的生物演化历程，文化、语言和社会组织也发挥了很大作用。这一领域仍有许多未解之谜，例如时序瓶颈的神经基础、动物智能的边界、人类语言的本质等。而目前的神经影像学和基因编辑技术，有助于进一步探索时序瓶颈的神经和遗传机制。
目前，认知科学、神经科学和演化生物学在动物智能与语言领域的研究方面，取得了许多重要成果。这些研究不仅揭示了动物是否具备语言能力以及与人类认知的异同，也有助于研究人类智能的演化机制。而解析“时序瓶颈”的概念，对人工智能设计而言，也具有深远意义。例如，或可通过模拟人类大脑的时序处理机制，来提升自然语言处理技术。通过多学科的合作研究，人类或许能够更全面地解码语言、智能与生命的奥秘。
参考文献
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