資訊、確定性和學習：比較鴿子和老鼠的關聯學習

핵심 개념

動物的學習速率與條件刺激 (CS) 提供關於非條件刺激 (US) 的資訊量直接相關，且這種關係在不同物種間具有一致性，支持了基於資訊理論的條件反射模型。

초록

研究論文摘要

書目資訊：

Harris, J. A., & Carpenter, G. (2023). Information, certainty, and learning. Journal of Experimental Psychology: Animal Learning and Cognition, 49(4), 361–376. https://doi.org/10.1037/xan0000323

研究目標：

本研究旨在探討條件刺激 (CS) 的資訊量如何影響大鼠的條件反射學習速率，並比較不同物種間的學習模式。

研究方法：

研究人員將 14 組大鼠分組訓練，每組接受不同 CS-US 間隔 (T) 和 US-US 間隔 (C) 的訓練，並記錄其在 CS 出現時對食物獎勵的預期反應（透過監測其在食物容器的活動）。

主要發現：

• 大鼠學習對 CS 做出反應所需的時間取決於 C/T 比率，即 CS 的資訊量。
• 大鼠的學習速率與資訊量之間的關係與先前在鴿子身上觀察到的關係非常相似。
• 大鼠在 CS 出現時的最終反應速率與 CS 的增強速率 (1/T) 成正比。
• 大鼠在未受增強的試驗間隔 (ITI) 中的反應速率與環境增強速率 (1/C) 成正比。

主要結論：

• 動物會對增強速率進行編碼，而條件反射與 CS 提供的關於 US 的資訊量直接相關。
• 不同物種間數據的一致性表明存在一個通用的條件反射模型，支持了基於資訊理論的學習模型。

研究意義：

本研究為條件反射的資訊理論提供了強有力的支持，表明動物的學習速率與其獲得的關於事件之間關係的資訊量直接相關。

研究限制和未來研究方向：

• 未來研究可以探討其他物種的學習模式，以進一步驗證資訊理論在條件反射中的普遍性。
• 未來研究還可以探討更複雜的學習情境，例如涉及多個 CS 或 US 的情境。

통계

研究人員使用了 14 組大鼠，每組接受不同 CS-US 間隔 (T) 和 US-US 間隔 (C) 的訓練。
資訊量定義為 CS 增強速率與環境增強速率的比率，即 C/T。
研究發現，大鼠學習對 CS 做出反應所需的時間（以試驗次數表示）與 C/T 比率的對數呈負相關。
研究還發現，大鼠在 CS 出現時的最終反應速率與 CS 增強速率 (1/T) 的對數呈正相關。
大鼠在未受增強的試驗間隔 (ITI) 中的反應速率與環境增強速率 (1/C) 的對數呈正相關。

인용구

"The findings establish that animals encode rates of reinforcement, and that conditioning is directly related to how much information the CS provides about the US."
"The consistency of the data across species, captured by a simple regression function, suggests a universal model of conditioning."
"It is remarkable that the 1-parameter regression model that describes the pigeon acquisition data also describes the current rat magazine-poking data—and with essentially the same parameter value."

핵심 통찰 요약

Information, certainty, and learning

by Harris,J. A.... 게시일 www.biorxiv.org 08-01-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.07.31.606111v2

더 깊은 질문

除了 C/T 比率之外，還有哪些因素會影響動物的條件反射學習速率？

除了 C/T 比率（條件刺激與非條件刺激的時間間隔比率）之外，還有許多因素會影響動物的條件反射學習速率，以下列舉幾項重要因素：

條件刺激的顯著性 (Saliency of the CS): 顯著性指的是條件刺激在環境中容易被動物注意到的程度。如果條件刺激對動物來說很新奇、強烈、或是與動物的生物本能相關，學習速度就會比較快。反之，如果條件刺激很微弱、模糊、或是與背景環境難以區分，學習速度就會比較慢。
非條件刺激的強度 (Intensity of the US): 非條件刺激的強度越大，動物學習的動機就越強，學習速度也就越快。舉例來說，如果食物是非條件刺激，那麼食物的美味程度和數量都會影響動物的學習速度。
動物的動機狀態 (Motivational state of the animal): 動物的飢餓、口渴、或是對特定獎賞的渴望程度都會影響學習速度。當動物處於高度動機狀態時，學習速度會比較快。
先前經驗 (Prior experience): 動物過去的經驗會影響牠們在新的學習情境中的表現。例如，曾經接受過類似訓練的動物，學習速度可能會比較快；而曾經有過負面經驗的動物，學習速度則可能會比較慢。
動物的個體差異 (Individual differences): 不同的動物，即使是同一物種，學習能力也會有個體差異。有些動物天生就比較聰明、學習速度比較快；有些動物則需要更多的訓練才能學會。
條件刺激與非條件刺激的生物相關性 (Biological relevance of the CS-US pairing): 如果條件刺激和非條件刺激在生物學上有關聯性，學習速度會比較快。例如，將某種味道和食物中毒配對，動物會很快學會避開這種味道。
學習的階段 (Stage of learning): 在學習的初期階段，學習速度通常比較慢；隨著訓練次數增加，學習速度會逐漸加快；當學習趨於穩定後，學習速度又會減緩。

如果將資訊理論應用於更複雜的學習情境，例如涉及多個 CS 或 US 的情境，結果會如何？

將資訊理論應用於更複雜的學習情境，例如涉及多個條件刺激 (CS) 或非條件刺激 (US) 的情境時，可以幫助我們更深入地理解動物如何從複雜的環境中提取和利用資訊進行學習。以下列舉幾個應用方向：

區辨學習 (Discrimination learning): 當環境中存在多個條件刺激，但只有一個條件刺激預測非條件刺激的出現時，動物需要學會區辨不同的條件刺激。資訊理論可以幫助我們量化每個條件刺激所提供的資訊量，以及動物如何利用這些資訊進行區辨。
類別學習 (Category learning): 當環境中存在多個類別的刺激，而每個類別都與特定的結果相關聯時，動物需要學會將刺激歸類。資訊理論可以幫助我們理解動物如何從刺激中提取特徵，並利用這些特徵進行分類。
因果學習 (Causal learning): 當環境中存在多個事件，而這些事件之間存在因果關係時，動物需要學會判斷哪些事件是原因，哪些事件是結果。資訊理論可以幫助我們理解動物如何利用事件之間的統計關係推斷因果關係。
在這些複雜的學習情境中，動物需要整合來自多個來源的資訊，並根據這些資訊做出決策。資訊理論提供了一個強大的框架，可以幫助我們理解動物如何進行資訊處理和決策。

資訊理論如何幫助我們理解人類的學習和決策過程？

資訊理論提供了一個量化資訊的框架，可以用於分析人類如何接收、處理和利用資訊進行學習和決策。以下是一些資訊理論應用於人類學習和決策的例子：

感知學習 (Perceptual learning): 資訊理論可以幫助我們理解人類如何從感官輸入中提取資訊，並利用這些資訊形成對外部世界的感知。例如，研究者可以使用資訊理論分析人類如何區辨不同的聲音、圖像和氣味。
語言學習 (Language acquisition): 資訊理論可以幫助我們理解兒童如何從語言環境中學習語言。例如，研究者可以使用資訊理論分析兒童如何學習單詞的意義、語法規則和語用規則。
決策制定 (Decision making): 資訊理論可以幫助我們理解人類如何在不確定性條件下做出決策。例如，研究者可以使用資訊理論分析人們如何評估不同選項的風險和收益，以及如何根據新的資訊調整決策策略。
認知控制 (Cognitive control): 資訊理論可以幫助我們理解人類如何控制自己的注意力、記憶和思維過程。例如，研究者可以使用資訊理論分析人們如何在多個任務之間切換注意力，以及如何抑制 irrelevant information 的干擾。
總之，資訊理論提供了一個強大的工具，可以幫助我們從資訊處理的角度理解人類的學習和決策過程。透過將資訊理論與心理學、神經科學等學科結合，我們可以更深入地理解人類認知的本質。