古典制約


夜深人靜時,你獨自一人走在無人的小巷裡,突然出現陌生的腳步聲向你靠近,你會不由得發現自己心跳加速。心跳加速可能是因為你覺得危險或感到緊張,但其實一開始陌生的腳步聲與心跳加速是沒有關聯的。這是因為經過學習(無論是有無知覺的情況下)身體才會將「夜深人靜時靠近的腳步聲」與「危險」做出連結,進而做出「心跳加速」的生理反應。

這種使本來沒有關聯的刺激與反應,產生新聯繫的學習過程,稱為古典制約。古典制約,包含了非制約刺激(Unconditioned Stimulus、US)與中性刺激(Neutral Stimulus、NS)。

非制約刺激,引起的非制約反應(Unconditioned Response、UR),是天生且不需經過學習的連結,比如感到緊張(US)因而心跳加速(UR),此種關係稱為非制約反射;中性刺激,原本不能引發該反應,然而經過學習後,原來的中性刺激,便稱為制約刺激(Conditioned Stimulus、CS),能引起制約反應(Conditioned Response、CR),比如因腳步聲(CS)而心跳加速(CR),此種關係稱為制約反射

你可能還是覺得有點抽象,以下我們將用帕夫洛夫的實驗來更具體地說明古典制約的學習方式。

一、帕夫洛夫(Pavlov)的實驗

古典制約中最經典的例子,是俄羅斯科學家帕夫洛夫(Ivan Pavlov, 1849-1936)做的「狗的唾液制約反射實驗」。帕夫洛夫是一位生理學家,為了研究消化主題,研究唾液在各種情況下的分泌狀況,他對一隻狗做外科手術,使唾液能夠流至狗的體外,測得其分泌量。當助手將食物放在狗面前時,狗無法控制而自然而然地分泌唾液,這是天生的反射機制,但進行多次反覆的實驗後,帕夫洛夫觀察到預期外的現象:在食物還沒放在狗面前時,居然也會大量分泌唾液,而進一步分析後發現:只要狗注意到助手,就會分泌唾液,甚至僅聽到助手的腳步聲,也能引起分泌唾液的反應!

事實上,任何規律地出現在食物之前的刺激,都能引起狗的唾液分泌,從單純生理學的觀點來看,這些觀察的結果並不合理。因此,帕夫洛夫相信有其他原理的運作,才能引起這般前後一貫的現象。

為了確定觀察到的現象並非偶然,帕夫洛夫做了以下實驗:餵食前,都先發出鈴聲。實驗開始前,鈴聲只會使狗會搖起耳朵、轉向搜尋鈴聲的所在處(朝向反應),重點是:鈴聲與分泌唾液與否並沒有關係。在多次的鈴聲與食物伴隨出現實驗後,當鈴聲響起時,朝向反應消失了,取而代之的是分泌唾液。此實驗證明當初帕夫洛夫的發現並不是偶然,且在特定的狀況下是可以再現(replicate)的。帕夫洛夫也發現鈴聲可以用光、節拍器等中性刺激來替代。

帕夫洛夫的實驗
實驗前 食物(US)→引發狗分泌唾液(UR)
鈴聲(CS)→不影響分泌唾d液
實驗中 鈴聲(CS)→食物(US)→分泌唾液(UR)
實驗後 鈴聲(CS)→分泌唾液(CR )

二、古典制約的原則

在帕夫洛夫發現古典制約的現象之後,後人開始研究這種機制如何產生及消失,接下來將介紹幾項古典制約重要的原則。

(一)習得(Acquisition)與消弱(Extinction)

隨著有系統的CS-US配對呈現後,當CS在試驗後能夠成功且穩固地引發CR,我們就可以說個體已「習得」制約反應。

為了產生制約反應,制約刺激必須多次伴隨著非制約刺激配對出現。然而,CS、US出現的順序非常重要,以順序分有以下四種制約。

  • 延宕制約(delay conditioning):

     CS先出現,接著在US出現時消失。為常被使用也最具效果的制約學習。
    
  • 遺跡制約(trace conditioning):

     CS先出現,接著在US出現前消失。著重在記憶效果,也就是CS與US中間的時間間隔越短,效果越佳。
     CS與US中間的時間間隔是影響制約效果的一個因素,與制約刺激、要被制約的反應的強度有關。
     以眨眼反應來說,小於1秒的時間間隔最佳;而以心博反應來說,5~15秒的時間間隔會有最佳效果。
    
  • 同時制約(simultaneous conditioning):

     CS與US同時出現。效果不佳。
    
  • 逆向制約(backward conditioning):

     US先出現,再出現CS。無效。
    

在同時制約的實驗中,一開始會有短暫的CR發生,但是當試驗次數增加之後,因為CS與US的發生不具有相關性(contingency),也就是CS不能夠準確地預測US的出現,故同時制約的習得效果不佳。根據此說明,我們可以知道逆向制約的學習效果會比同時制約更差。

當CS的出現不再伴隨著US(如實驗結束後),則反應與結果間的連結下降,使得CS所單獨引發的CR變得越來越弱,最後甚至會停止出現,此即為消弱作用(extinction)。例如:一開始,老鼠拉拉桿會出現食物,直到某天之後拉拉桿不再出現食物,老鼠拉拉桿的「反應」與得到食物的「結果」之間的連結會下降甚至消失。又例如:帕夫洛夫的狗狗在習得制約後,由於試驗完鈴聲不再伴隨著食物出現,狗狗分泌唾液的「反應」與得到食物的「結果」間的連結下降,導致鈴聲出現,狗狗分泌的唾液量降低(即反應變弱)。

然而,再經過一段時間(休止期)後,若單獨出現CS(無US),仍然可以再度顯現微弱的CR。也就是說,即使CS與US不再伴隨出現,CR仍然會「自發恢復」(spontaneous recovery)。例如:過了一段時間後,老鼠還是會試著去拉拉桿(即使中間的連結並未恢復,未能讓牠得到食物)。又例如,過了一段時間後,狗狗聽到鈴聲,儘管沒有食物的出現,消弱作用也已經發生,仍然會分泌唾液。

在自發恢復的機制之下,經過實驗但CR因消弱而幾乎消失的個體,其再學習(relearn)而習得CR的速度會比第一次被訓練時快。因此,儘管消弱似乎使CR幾乎消失,但學習確實對生物留有不可磨滅的影響。

(二)刺激類化與刺激辨別

回到鈴聲引起狗垂涎的制約實驗,這時,我們刻意將鈴聲做出更細部的分別:頻率低於、等於、高於2000Hz的三種音調。我們使用頻率2000Hz的音調作為CS,如前面所述,一旦制約學習完成,只要出現此音調,狗就會有分泌唾液。

那麼,出現其他頻率的音調又會如何呢?

實驗發現,在消弱過程中,當狗暴露在越接近頻率2000Hz的音調中,其制約反應量(唾液量)越強。也就是說,狗對於「越類似CS」的刺激,也會做出相對應的CR,這就是刺激類化(stimulus generalization)。類化是對於類似的行為進行連結,例如:一個母親教導小孩要用衛生紙來擤鼻涕,但是小孩可能會將這個用來擤鼻涕的東西「類化」為任何軟的表面,例如衣袖,進而使用衣袖擤鼻涕。

類化是將原CS「擴散」給其他相似刺激,而辨別則與之相反,辨別是能夠「分辨」出特定刺激的現象。要達成刺激辨別(stimulus discrimination)有兩種方法:延長訓練或分化增強。

若只將CS與US配對至「恰好」足夠產生CR的配對次數,則與CS相似的刺激,產生的反應幅度較大;而若CS與US多次配對出現,則與CS相似的刺激,產生的反應幅度會變小。由此我們可以發現,只要延長訓練時間(大幅增加配對次數),類化作用越小,即個體「辨別」相似刺激的能力越大,越能辨別出CS的形式。例如:多次訓練後,個體只針對2000Hz的頻率產生CR,低於及高於2000Hz頻率者則否。

第二個方法是分化增強。引用鈴聲的例子,分化增強的過程是在消弱過程中,繼續將其暴露在各種音調的環境下,然而只有在頻率2000Hz的音調出現時,才出現肉,也就是將環境的刺激控制成特定刺激的形式,再重複訓練過程。經過如此訓練後,動物對頻率高於2000Hz的音調的制約反應消失了,也就是產生了對於頻率2000Hz音調的辨別作用。假如母親教導小孩不可以用衣袖擤鼻涕,甚至對他進行處罰,這時,小孩將會對衛生紙和衣袖進行「區別」,小孩因而認知擤鼻涕應該使用衛生紙。

個體必須在刺激的類化與辨別之間取得平衡。舉例來說,當斑馬接收到「獅子靠近」的刺激(如:吼聲、樣貌)時,會產生「逃跑」的反應。若過多的刺激辨別,使斑馬僅對某特定的吼聲或樣貌產生反應,將使牠失去躲避獅子的時間;然而,過多的類化作用,使斑馬會對任何風吹草動都產生「逃跑」的反應,這將使牠精疲力竭,而當獅子真的出現時,反而無力逃脫。

三、古典制約的生物基礎

(一)海伯理論

海伯理論(Hebbian theory)由D. Hebb提出,他將某一外在刺激在腦內能引起反應的所有皮質細胞稱作一個細胞群集(cell assembly),這些細胞彼此連結。若此刺激持續存在,細胞群集間的連結就會變強,後續的同一刺激即使強度不足以活化所有細胞群集內的細胞,加強的連結也會幫忙活化其它細胞。

四、古典制約的認知觀點

現在我們明白了古典制約的模式與過程,但它為什麼會發生?又是如何發生的呢?帕夫洛夫認為只要CS與US符合「時間相近性」(temporal contiguity),也就是在時間上US與CS很相近地發生,就能夠產生制約。時間相近性的相關研究有找出CS和US相隔多久發生的所產生的效果最好,也就是找出「最佳時距」(optimal interval),對大多數的刺激而言,最佳時距大約是半秒到數秒之間,但少數如在味覺嫌惡的學習中,最佳時距則頗長。

而為了檢驗時間相依性是否為古典制約的關鍵影響因素,因此有其他研究者展開下列研究:他們操作CS與US的順序,呈現三種做法-CS在US之前出現(稱為前向配對)、CS在US之後出現(稱為後向配對)、CS跟US同時出現(稱為同時配對),結果顯示前向配對最能產生古典制約。假使只是看時間相近性,也就是兩者時間相近的話,三者應該要一樣好,但順序卻會影響結果,可見光有時間相依性是不夠的。

為了找出影響古典制約真正關鍵因素,因此Rescorla設想影響古典制約的因素為依存性(contingency,又稱關聯性),也就是CS跟US之間存在著相關的關係,與時間相近性二種,他設計了一個以狗為對象的實驗來檢測這兩者何者才是關鍵影響因素。

首先,狗在箱子的左邊會被電擊,因此狗必須學會從箱子的左邊越過柵欄到箱子的右邊以避免電擊,也就是產生恐懼制約,讓牠迴避嫌惡刺激。接著將狗分成A、B兩組接受另一種制約訓練,A組雖不是每次聲響後就會有電擊,但每次電擊前必有聲響;B組雖然聲響後出現電擊的次數設計成跟A組一樣多,但多加了有時電擊在前,聲響在後的情況。結果顯示A組聽到聲響後跳過柵欄的次數高於B組。

這表示時間相近性不是最主要影響古典制約的因素。因為如果是的話,A、B兩組接受一樣多的刺激配對(聲響後緊接著出現電擊的次數一樣多),兩者應該會有相同的反應,但是事實並非如此,因此可見依存性,也就是聲響與電擊之間的相關性-聲響對於電擊的預測力有多大,才是主要的影響因素。

根據以上兩個實驗,我們可以發現生物是以CS預測US的發生,因此CS通常要發生在US之前,生物才會形成古典制約。此即為一種認知上的歷程,也代表古典制約理論上無法解釋的理論,可藉由認知的觀點加以完備解釋。

results matching ""

    No results matching ""