发布时间：2022-04-26
作者：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心 吴超 来源：科学大院
各位“铲屎官们”快来看看！
如果你家养了边牧：
（图片来源：微博）
如果你家养了哈士奇：
（图片来源：微博）
边牧的聪慧过人和哈士奇的憨态可掬可以算大家公认的了。不过，有爱哈人士认为，哈士奇并不是真的憨傻学不会指令，只是不拘一格，放任天性，不愿意受到指令约束。
虽然关于哈士奇和边牧的智力还没有确切的定论，但科学家们目前也设计出了一些方法用于评估动物们的智力，具体是怎么做的呢？
如何让动物们自愿答题？
首先我们得面临一个问题：动物们不能听说读写，没法做卷子，该怎么测试它们的智力呢？为了测定它们的智力，科学家们给各种动物量身定制了“智力测试卷”。不过，如何让动物自愿答题呢？
为达到目的，科学家们通常需要在正式考试之前对动物进行考前培训，以培养动物答题的习惯。最常见的训练方式就是给予食物奖励了。
比如，当鸽子啄食图片，或者猩猩触摸屏幕上的图片时，它们就能得到喜爱的食物作为奖励。在这个阶段，动物们只要做题就有奖，不论对错。但是完成考前培训后，动物们就需要凭“分数”挣奖励了。
黑猩猩在训练后可以按顺序触摸屏幕数字
（图片来源：京都大学灵长类研究中心）
那么，动物的“智力测试”考什么内容呢？会划分学科吗？
事实上，动物智力可以被定义为动物根据个体生活经验改变行为，适应新环境或解决新问题的能力。智力涵盖了多种认知能力，而“动物限定卷”就可以根据认知功能类型来划分“学科”。
常见的认知能力科目包括记忆力，时空感知能力，注意力，推理能力，概念认知等。每个科目都有多个试题相互印证，这里介绍几个有代表性的科目。
科目一：记忆力水平测试
题型最丰富的考试科目要数记忆力水平测试。考试内容包括迷宫、延迟反应测试等。其中，迷宫主要被用于检验大鼠和小鼠的空间位置记忆能力，也常被用来检测药物对空间记忆的影响。
迷宫的种类繁多，形状大小各异，较常用的有辐射臂迷宫、Y迷宫、T迷宫、水迷宫、巴恩斯迷宫等。这些迷宫的共同点是让小动物在固定的空间范围内探索，然后找到人为设定好的终点。小动物的成绩由探索过程中的路径、到终点所需时间等参数决定。
不同的迷宫原理不尽相同，这里以小鼠为例着重介绍几种常用的：
题目1——T迷宫 / Y迷宫
T迷宫
（图片来源：Maze engineers）
T迷宫和Y迷宫都是由三个通道臂组成。迷宫利用藏在通道臂终点的美食诱惑小鼠探索。实验开始前，实验人员会将下方通道臂用挡板封住，并放入小鼠。取下挡板后，它们便循着味道向前找食物。
虽然实验的操作非常简便，对动物的负面影响也较弱，但实验的结果可能会受到小动物对某个方向的偏好影响。比如天生偏好左侧的小鼠可能对放在右侧迷宫臂的食物 “无动于衷”。
题目2——巴恩斯迷宫
巴恩斯迷宫
（图片来源：Wikipedia: Barnes maze）
巴恩斯迷宫主要利用动物的趋暗本能。昼伏夜出的被试者们在一个巨大圆盘上探索，试图找到一个“隐秘的角落”来躲避头顶的光照。圆盘边缘有很多同样大小的洞，但只有一个可以通往暗盒躲避光照。
这个实验对动物的负面影响同样很弱，而且能更真实全面地考察动物的记忆力水平。因为“考生“在测试中面临着更多的选择，而不是像在三通道迷宫中一样——即便盲猜也有50%的几率答对。但是在这个实验中，被试者也容易四处探索，缺乏完成实验的动力。个别胆大妄为的考生，甚至会跑到圆盘边缘体验高空俯瞰带来的刺激。
题目3——水迷宫
水迷宫：左为清水，可见下方圆形浮台
右为实验时，清水加入了染料
（图片来源：Google 图片）
水迷宫实验是在一个大“浴缸”中进行的，浴缸中有一个圆形浮台。实验时，水会被染色。训练时，小鼠一边游泳，一边探索，有时候能够自己发现被淹没的浮台。如果较长时间没有发现，实验者会引导被试者们到浮台。
在“浴缸”四周有标识，下次实验的时候，小鼠就可以通过标识更快地找到浮台。可是为什么小鼠们即使看不见浮台也要找它呢？主要是因为小鼠天性厌水，同时持续游泳消耗能量快。换作是我们，如果游泳累了也想尽快找到歇息的地方。
题目4——延迟反应测试
除了各类迷宫，记忆力学科还包括延迟反应测试。它主要通过动物延后对信号做出反应的准确度，来检测动物的短期记忆能力。被试动物们会收到一个信号 （声音，光）。这个信号对应一种获取奖励的条件。
比如，在一个听觉决策实验中，低频的声音对应左边的水嘴有水喝，高频对应右边。小鼠首先进行单一声音的训练，通过单音训练分别学会这两种对应关系。
低频声音对应左边水嘴有水，高频对应右边
（图片来源：Xin, Y., Zhong, L., Zhang, Y., Zhou, T., Pan, J., & Xu, N. L. (2019). ）
正式实验的过程有点像央视一个“听歌识曲”综艺——《开门大吉》。动物首先听到一个声音，暂停一段时间以后，由它们选择是左边还是右边。这就好像参赛选手听完歌后回忆歌曲，并选择开哪扇门一样。小鼠如果选错方向或者抢答都是没有奖励的。延迟反应测试已经被广泛应用于许多不同的物种，包括啮齿类，灵长类，鸟类。
科目二：灵长类认知能力综合测试
如果说记忆力科目是一个知识点变着花样考，那灵长类认知能力综合测试（PCTB）就是囊括了各个科目的知识点。它全面考察动物们的综合素质，考试时间也更长。PCTB不仅在灵长类中使用，还被改良推广到了鹦鹉等鸟类以及小鼠和狗等其他非灵长类哺乳动物。
PCTB试题包括心理和物理层面。物理层面有空间，数量，因果推理三个大方向。心理层面包括社会学习，沟通，以及心智。每个大方向又有3-5个小方向，可谓包罗万象。这样做的优势和局限同样明显。PCTB具有的多种测试可以相互印证。科学家们通过把动物行为和多个认知标准关联，能够更全面地了解动物的认知水平。
比如，通过分析冬天欧亚松鸡的储粮行为，与PCTB测得它们的空间记忆能力，抑制控制能力，分类学习能力的关联强弱，我们就可能推测出这几种能力在储粮行为中的相对重要性。
但由于PCTB流程繁琐，费时费力，对动物数量和实验范式设计要求都较高，只适用于少数物种。同时，也因为要求高，同一套PCTB实验很少有人重复，导致可信度有限。
题目1——工具使用
PCTB中用到的不同测试实验中，工具使用是曾一度被认为是人类特有的能力。然而通过工具使用测试的动物，除了我们的近亲大猩猩等非人灵长类，还有大象，许多食肉哺乳动物和乌鸦及其近亲。
一种常用的测试方法是研究者给动物出个难题，并提供相关的工具，观察动物是否会利用工具“作答”。举一个经典的例子：大家看下图，树上的果子大象是够不着的，但是旁边已经准备好了木箱。实验结果发现大象为了够到树枝，会挪动木箱到树下垫高前肢。
大象自己“搬凳子”够到树枝美餐
（图片来源：Foerder, P., Galloway, M., Barthel, T., Moore III, D. E., & Reiss, D. (2011).）
另一个工具使用的例子是陷阱管道测试，它可以同时检测动物的推理能力和解决问题能力。测试多用于乌鸦和灵长类动物。就像下图一样，实验会用到一个透明管道。透明管道被放置在大猩猩的饲养笼里，管道两端连通饲养笼的两侧。
猩猩在笼内自由活动时，可以从管道两端伸入木棍，来获取中间的食物。不过管道一侧下方有一个方形陷阱。猩猩们需要用棍子把食物从右往左推出或者拨回食物，才能从管道取出吃到。如果食物掉进陷阱，被试动物就只有干着急了。
如果用木棍把食物往右推，就会掉入陷阱
（图片来源：Mulcahy, N. J., & Call, J. (2006).）
类似的还有一种为乌鸦设计的“封盖抽屉”实验。主要是测试乌鸦能不能自学成才，掌握抽屉的用法。科学家们为乌鸦量身定制了一个小抽屉。抽屉的侧面用“把嘴”代替把手。乌鸦需要用嘴叼住抽屉侧面的圆环并后退抽出，才能获得食物。
乌鸦会用嘴抽出抽屉获取食物
（图片来源：Tebbich, S., Seed, A. M., Emery, N. J., & Clayton, N. S. (2007). ）
题目2——数量识别
除了前面介绍的几种测试，另一个我们很熟悉的就是数量识别了。虽然不熟悉阿拉伯数字，但不少动物都能识别和比较数量的多少。有些聪明的动物，比如猕猴，还能计算简单的加减法。
一只叫Alex的鹦鹉就因其可以用英语从1数到7而闻名。科学家们推测它可以识别更大的数，只是受到语言表达的限制才只数到7。数量识别测试通常是让动物比较图片中不同元素的数量，也会像下图一样给一些不同颜色的积木。（鹦鹉的聪明可能超乎你想象，戳这里可get更多有关鹦鹉的有趣知识）
鹦鹉Alex 能用英语数出7个物体
（图片来源：Google 图片）
科目三：“阅读理解”——心理测试
前面介绍的都是物理层面的试题，测试指标相对比较客观，科学家们“批改卷子”也比较好打分。相比之下，心理层面的试题读起来要更开放一些。
比如社会学习通常是用类似前文中陷阱管道实验的谜题。在测试前，研究人员会演示谜题的答案，观察被试动物是否从演示中学会。但有时候研究者们很难判断，它们是真的在演示中学会的，还是自己碰巧成功了。
另一个著名的“主观题”是镜子测试。测试过程本身非常简单：只是在动物身体上可触不可见的部位，如面部，做一个标记，观察动物照镜子的反应。然后研究者们根据动物的反应推测动物能否认出自己。如果动物认出镜子里是自己，就很可能会对着镜子触摸标记。
镜子测试在50年前刚发明的时候，检验的动物还比较少。而且只有18个月以上的人类和一些黑猩猩可以通过，不过，2018年欧亚喜鹊也成功通过了镜子测试。而猕猴，狗等都不能通过这项测试，它们会把镜子的自己当成是同类或者敌人。发明人盖洛普便认为这个测试揭示的本质是自我意识，并相信这是比较少见的高级智慧。
狗狗无法认出镜子中的自己
（图片来源：gfycat.com）
然而，对镜子测试结果的解读现在还颇具争议。一方面镜子测试依赖视觉，对于很多生活场景并不需要视力的动物是很不公平的，有“歧视”部分考生的嫌疑。另一方面，很多动物没见过镜子，它们并不能马上了解镜子的功能。比如鸽子和猕猴，但在经过训练，学会镜子可以反射影像以后，它们就可以表现出所谓的“自我意识”了。
大象和“自己”玩的不亦乐乎
（图片来源：gfycat.com）
不过，也有些心理层面试题的判断标准比较明确，比如注视跟随实验。实验观察动物是否会随着研究人员左右转头，而跟着看向对应方向；或者通过指杯子实验，测试动物是否会随着研究人员的提示，而指向装有食物的杯子。但不管是灵长类还是乌鸦，这几个实验的成绩都在及格线附近徘徊，和随机猜的正确率相差无几。
未来，可能测得更准
检验动物物理层面认知水平的测试，比如前文着重介绍的记忆力相关测试，已经被广泛应用。相比之下，心理层面的认知水平测试并不多，而且往往存在结果有争议或难重复等问题。一个重要的原因是动物不能说话，我们也很难理解动物的语言。只能根据动物的行为猜测它们的想法，这比《你画我猜》还难得多。
但随着脑机接口技术和计算机算力的不断发展提升，神经领域的科学家们对动物大脑的认识也在不断加深。相信在不远的未来，我们就可以通过分析动物在做各套“智力测试卷”时的脑电活动，更加精细地理解动物的认知水平了。没准到时候，哈士奇智力的庐山真面目就能被科学揭晓了。
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作者单位：中科院脑科学与智能技术卓越创新中心
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