黑葉猴視覺(jué)學(xué)習(xí)認(rèn)知訓(xùn)練初探

朱愛(ài)玲，王彬婷，鄭曉敏，何 鑫

（杭州動(dòng)物園，杭州 310008）

黑葉猴（Trachypithecus francoisi）隸屬靈長(zhǎng)目（Primate）猴科（Cercopithecidae）疣猴亞科（Colobi?nae）葉猴屬（Trachypithecus），為國(guó)家I 級(jí)保護(hù)陸生野生動(dòng)物［1］，被世界自然保護(hù)聯(lián)盟（IUCN）列為瀕危物種（EN）［2］。黑葉猴是熱帶和亞熱帶石灰?guī)r地區(qū)和河谷喀斯特懸崖地帶特有的珍稀靈長(zhǎng)類動(dòng)物，目前僅存在于中國(guó)的廣西、貴州、重慶三地和越南北部［3］，全球種群數(shù)量1 700~1 800 只［4］。

學(xué)習(xí)認(rèn)知是腦科學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向［5］，視覺(jué)是動(dòng)物感知外部環(huán)境的最主要通道，視覺(jué)學(xué)習(xí)認(rèn)知是將獲取的視覺(jué)信息經(jīng)過(guò)大腦加工處理，最終與外部客觀事物前后關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)把握、辨識(shí)和理解的過(guò)程，因此基于視覺(jué)的動(dòng)物學(xué)習(xí)認(rèn)知功能研究近年來(lái)備受研究者們的關(guān)注［6，7］。非人靈長(zhǎng)類與人類在進(jìn)化上接近，是理解人類腦與認(rèn)知的理想動(dòng)物模型，關(guān)于非人靈長(zhǎng)類基于視覺(jué)的圖形識(shí)別、自我覺(jué)察、數(shù)量認(rèn)知能力等方面得到較深入的研究［7-11］。相關(guān)研究多選用猴亞科獼猴屬的恒河猴（Macaca mulatta）作為研究對(duì)象，且已有的研究表明恒河猴具有視覺(jué)記憶和圖形識(shí)別能力［7，12］，但恒河猴生性警惕。黑葉猴性情溫和，易于接近，能很快進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，目前關(guān)于黑葉猴視覺(jué)學(xué)習(xí)認(rèn)知方面的報(bào)道尚屬空白，本研究假設(shè)黑葉猴具有視覺(jué)學(xué)習(xí)認(rèn)知能力。

正強(qiáng)化行為訓(xùn)練是指通過(guò)獎(jiǎng)勵(lì)的手段，使動(dòng)物按照指令和引導(dǎo)，基于其自然行為模式，主動(dòng)展示目標(biāo)行為的一種訓(xùn)練方法［13］。正強(qiáng)化相較于“錯(cuò)誤——懲罰”的訓(xùn)練方式，有利于動(dòng)物的身心健康和目標(biāo)行為的出現(xiàn)。正強(qiáng)化行為訓(xùn)練在動(dòng)物園飼養(yǎng)管理如串籠、修蹄、稱重、和諧取食等［14-17］，醫(yī)療檢查及治療如測(cè)肛溫、采血、肌注等方面得到較多運(yùn)用［18-20］，通過(guò)行為訓(xùn)練可以減少動(dòng)物對(duì)相關(guān)處理造成的應(yīng)激反應(yīng)，但目前有關(guān)動(dòng)物園動(dòng)物視覺(jué)學(xué)習(xí)認(rèn)知訓(xùn)練鮮有報(bào)道。

本研究針對(duì)黑葉猴采用正強(qiáng)化行為訓(xùn)練方式，探索其視覺(jué)學(xué)習(xí)認(rèn)知能力，旨在拓展動(dòng)物園動(dòng)物行為訓(xùn)練領(lǐng)域，提高動(dòng)物福利，也為非人靈長(zhǎng)類視覺(jué)認(rèn)知的相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 訓(xùn)練對(duì)象

訓(xùn)練對(duì)象為一只成年黑葉猴，雄性，呼名“大杭”，年齡22 歲，試驗(yàn)前未進(jìn)行過(guò)視覺(jué)學(xué)習(xí)認(rèn)知方面的訓(xùn)練。

1.2 訓(xùn)練場(chǎng)地、器材及食物

訓(xùn)練在專用的訓(xùn)練籠中進(jìn)行。訓(xùn)練籠由鋼筋焊接而成，長(zhǎng)90 cm，寬50 cm，高60 cm，欄桿間距5 cm。訓(xùn)練籠通過(guò)一道拉門(mén)與日常飼養(yǎng)籠舍頂部相通，位于喂食平臺(tái)附近。

訓(xùn)練器材為訓(xùn)練專用響板、食物背桶和認(rèn)知用圖片。

強(qiáng)化物為黑葉猴喜愛(ài)的花生。為了控制每次訓(xùn)練時(shí)食物攝入量同時(shí)保證訓(xùn)練效果，將花生剝開(kāi)并分成小塊，總量為5 g。

1.3 人員配置

訓(xùn)練員為黑葉猴主管飼養(yǎng)員，日常飼養(yǎng)中與動(dòng)物建立了良好的信任關(guān)系，每日手喂食物、呼喚呼名、了解動(dòng)物個(gè)性。

1.4 訓(xùn)練方法

整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程采用正強(qiáng)化的訓(xùn)練方式。訓(xùn)練員發(fā)出口令，展示認(rèn)知圖片；訓(xùn)練對(duì)象根據(jù)口令，自主學(xué)習(xí)指出圖片；當(dāng)動(dòng)物指出正確的圖片時(shí)，按下“響板”，表示肯定，給予食物獎(jiǎng)勵(lì)。

早期可通過(guò)捕捉動(dòng)物行為或訓(xùn)練員輔助動(dòng)物完成任務(wù)的方法進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練員發(fā)出口令，展示圖片，當(dāng)動(dòng)物充滿好奇伸手觸碰圖片或訓(xùn)練員主動(dòng)用圖片觸碰動(dòng)物手指時(shí)，按響板并及時(shí)給予食物獎(jiǎng)勵(lì)。

每日下午喂食前半小時(shí)訓(xùn)練，每次10 min，每周5 次。

1.5 訓(xùn)練目標(biāo)

能辨識(shí)蘋(píng)果和香蕉的圖片。訓(xùn)練員發(fā)出“蘋(píng)果”或“香蕉”的口令時(shí)，動(dòng)物可以根據(jù)口令指出相應(yīng)的圖片。

1.6 訓(xùn)練目標(biāo)分解

1.6.1 建立橋接 按響板，動(dòng)物狀態(tài)平靜，給食物獎(jiǎng)勵(lì)。

1.6.2 進(jìn)、出訓(xùn)練籠 拉開(kāi)拉門(mén)，訓(xùn)練員發(fā)出口令“進(jìn)”，動(dòng)物進(jìn)訓(xùn)練籠，保持坐姿，狀態(tài)平靜，按響板，給食物獎(jiǎng)勵(lì)。跟隨訓(xùn)練員位置移動(dòng)，訓(xùn)練員發(fā)出口令“出”，動(dòng)物出訓(xùn)練籠，按響板，給食物獎(jiǎng)勵(lì)。

1.6.3 認(rèn)識(shí)蘋(píng)果圖片 動(dòng)物進(jìn)訓(xùn)練籠，保持坐姿，訓(xùn)練員發(fā)出口令“蘋(píng)果”，同時(shí)展示蘋(píng)果圖片，動(dòng)物用手指觸碰圖片，按響板，給食物獎(jiǎng)勵(lì)。訓(xùn)練初期動(dòng)物充滿好奇心，會(huì)用手指觸摸圖片，此時(shí)立即按響板，給食物獎(jiǎng)勵(lì)，或訓(xùn)練員主動(dòng)用圖片去觸碰動(dòng)物手指，按響板，給食物獎(jiǎng)勵(lì)。初期通過(guò)捕捉動(dòng)物行為和訓(xùn)練員協(xié)助動(dòng)物完成動(dòng)作的方法進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練。

1.6.4 辨識(shí)蘋(píng)果圖片和空白對(duì)照 動(dòng)物進(jìn)訓(xùn)練籠，保持坐姿，訓(xùn)練員發(fā)出口令“蘋(píng)果”，并同時(shí)展示蘋(píng)果圖片和空白圖片，當(dāng)動(dòng)物正確指出蘋(píng)果圖片時(shí)，按響板，給食物獎(jiǎng)勵(lì)。當(dāng)動(dòng)物指出錯(cuò)誤圖片時(shí)，重復(fù)口令“蘋(píng)果”，當(dāng)動(dòng)物意識(shí)到錯(cuò)誤并指出正確圖片時(shí)，按響板，給食物獎(jiǎng)勵(lì)。通過(guò)變換兩張圖片的左右位置，強(qiáng)化訓(xùn)練。

1.6.5 認(rèn)識(shí)香蕉圖片 動(dòng)物進(jìn)訓(xùn)練籠，保持坐姿，訓(xùn)練員發(fā)出口令“香蕉”，同時(shí)展示香蕉圖片，動(dòng)物用手指觸碰圖片，按響板，給食物獎(jiǎng)勵(lì)。每次訓(xùn)練前，鞏固上一階段蘋(píng)果和空白圖片的辨識(shí)5 次。

1.6.6 辨識(shí)香蕉圖片和空白對(duì)照 動(dòng)物進(jìn)訓(xùn)練籠，保持坐姿，訓(xùn)練員發(fā)出口令“香蕉”，同時(shí)展示香蕉圖片和空白圖片，當(dāng)動(dòng)物正確指出香蕉圖片時(shí)，按響板，給食物獎(jiǎng)勵(lì)。當(dāng)動(dòng)物指出錯(cuò)誤圖片時(shí)，重復(fù)口令“香蕉”，當(dāng)動(dòng)物意識(shí)到錯(cuò)誤并指出正確圖片時(shí)，按響板，給食物獎(jiǎng)勵(lì)。通過(guò)變換兩張圖片的左右位置，強(qiáng)化訓(xùn)練。每次訓(xùn)練前，鞏固蘋(píng)果和空白圖片的辨識(shí)5 次。

1.6.7 辨識(shí)蘋(píng)果圖片和香蕉圖片 動(dòng)物進(jìn)訓(xùn)練籠，保持坐姿，訓(xùn)練員發(fā)出“蘋(píng)果”或“香蕉”的口令，同時(shí)展示圖片。當(dāng)動(dòng)物能按口令指出正確圖片時(shí)，按響板，給食物獎(jiǎng)勵(lì)。當(dāng)動(dòng)物指出錯(cuò)誤圖片時(shí)，重復(fù)口令2 次，如果動(dòng)物能夠意識(shí)到錯(cuò)誤并指出正確圖片，按響板，給食物獎(jiǎng)勵(lì)。通過(guò)變換圖片的左右位置和改變口令，強(qiáng)化訓(xùn)練。

1.7 測(cè)試圖片辨識(shí)的正確率

圖片識(shí)別訓(xùn)練完成后，進(jìn)行識(shí)別的正確率測(cè)試。在每日固定的訓(xùn)練時(shí)間，通過(guò)改變口令和圖片的左右位置檢測(cè)學(xué)習(xí)效果。每日進(jìn)行1 次測(cè)試，每次測(cè)試發(fā)出20 個(gè)口令“蘋(píng)果”或“香蕉”，動(dòng)物能夠根據(jù)口令指出對(duì)應(yīng)的圖片，計(jì)為正確，否則計(jì)為錯(cuò)誤，計(jì)算該次測(cè)試的正確率。共進(jìn)行20 次測(cè)試。所得數(shù)據(jù)采用Excel 和SPSS24.0 軟件進(jìn)行分析和處理，計(jì)算平均正確率，采用非參數(shù)檢驗(yàn)中的卡方檢驗(yàn)比較測(cè)試結(jié)果中正確次數(shù)和錯(cuò)誤次數(shù)間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 訓(xùn)練各階段完成情況

本研究視覺(jué)學(xué)習(xí)認(rèn)知訓(xùn)練分步驟進(jìn)行，各訓(xùn)練階段、各階段的行為要求、完成時(shí)間及主要目的如表1 所示。

表1 訓(xùn)練各階段完成情況

2.2 訓(xùn)練各階段對(duì)圖片的辨識(shí)

在訓(xùn)練的各階段，訓(xùn)練員通過(guò)改變圖片的左右位置或改變口令或?qū)烧呓Y(jié)合起來(lái)，判斷動(dòng)物對(duì)圖片的識(shí)別能力，只有前一階段的訓(xùn)練成熟后才能進(jìn)入到下一階段的訓(xùn)練。訓(xùn)練各階段的部分行為展示如圖1 所示。

2.3 圖片識(shí)別的正確率。

圖片識(shí)別測(cè)試結(jié)果如圖2 所示，20 次測(cè)試的平均正確率為82.0%，標(biāo)準(zhǔn)差為8.4%。前期測(cè)試時(shí)正確率有一定的波動(dòng)，第16 次測(cè)試后趨于穩(wěn)定，整體正確率呈上升趨勢(shì)。卡方檢驗(yàn)顯示，測(cè)試結(jié)果中正確次數(shù)極顯著高于錯(cuò)誤次數(shù)。

圖2 圖片識(shí)別測(cè)試結(jié)果

3 討論

3.1 建立信任關(guān)系

動(dòng)物對(duì)訓(xùn)練員的信任是行為訓(xùn)練開(kāi)展的基礎(chǔ)［13］，本研究中訓(xùn)練員為黑葉猴的主管飼養(yǎng)員，動(dòng)物對(duì)其聲音、氣息等都非常熟悉。訓(xùn)練員通過(guò)手喂食物、呼喚呼名、日常觀察等方式可以迅速與動(dòng)物建立信任關(guān)系，有利于行為訓(xùn)練的開(kāi)展。本研究根據(jù)動(dòng)物學(xué)習(xí)狀態(tài)靈活地調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)內(nèi)容，與大多數(shù)自動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)相比［5，6，21］，具有靈活、可控、成本低的優(yōu)勢(shì)。

3.2 訓(xùn)練時(shí)間的選擇

動(dòng)物的操作動(dòng)機(jī)一般由食物激發(fā)，并由饑餓來(lái)保持，這是一種生理上的驅(qū)動(dòng)力。本研究選擇下午喂食前半小時(shí)訓(xùn)練，此時(shí)動(dòng)物處于較饑餓狀態(tài)，比較容易集中精力，有助于順利進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。同時(shí)選用喜愛(ài)的花生作為強(qiáng)化物，利用強(qiáng)化物的吸引力進(jìn)一步保持操作動(dòng)機(jī)。

3.3 控制每次訓(xùn)練的時(shí)長(zhǎng)

研究中如果訓(xùn)練時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，黑葉猴容易出現(xiàn)左右張望、不聽(tīng)指令等注意力降低的現(xiàn)象。Panichello等［12］研究表明，集中注意力能降低干擾項(xiàng)的影響，有助于進(jìn)入學(xué)習(xí)、記憶狀態(tài)。為了保證學(xué)習(xí)效果，應(yīng)控制每次行為訓(xùn)練的時(shí)長(zhǎng)，一般10 min 左右為宜，當(dāng)動(dòng)物出現(xiàn)注意力不集中時(shí)，可及時(shí)終止訓(xùn)練，且每次訓(xùn)練應(yīng)以容易完成的任務(wù)結(jié)束，并給予獎(jiǎng)勵(lì)。

3.4 保證訓(xùn)練環(huán)境的安靜

安靜的環(huán)境有助于動(dòng)物集中注意力，免受外界環(huán)境的干擾。由于本研究訓(xùn)練場(chǎng)所位于籠舍頂部喂食平臺(tái)的訓(xùn)練籠內(nèi)，與外界環(huán)境相通，訓(xùn)練應(yīng)避開(kāi)周末游客嘈雜、附近施工噪音、非訓(xùn)練人員在場(chǎng)等因素的干擾。

3.5 控制強(qiáng)化物的用量

黑葉猴屬于典型的葉食性靈長(zhǎng)類，Huang 等［22］對(duì)生活在扶綏保護(hù)區(qū)黑葉猴的食性研究發(fā)現(xiàn)，樹(shù)葉占總覓食時(shí)間的94%。而人工圈養(yǎng)條件下，由于生存環(huán)境和食物結(jié)構(gòu)的改變，容易引起動(dòng)物消化道疾病，甚至死亡［23］。本研究在黑葉猴的日常飼養(yǎng)中嚴(yán)格控制精料、水果類、堅(jiān)果類等食物的供應(yīng)量，以新鮮樹(shù)葉為主食。訓(xùn)練時(shí)嚴(yán)格控制強(qiáng)化物用量，研究中所用強(qiáng)化物為花生，通過(guò)剝開(kāi)并分成小塊的方式，在控制攝入量的同時(shí)也保證了訓(xùn)練效果。

3.6 訓(xùn)練過(guò)程應(yīng)循序漸進(jìn)

訓(xùn)練員在訓(xùn)練過(guò)程中應(yīng)保持耐心，按照訓(xùn)練計(jì)劃有序開(kāi)展，適時(shí)調(diào)整，只有當(dāng)前階段訓(xùn)練任務(wù)完成后，再進(jìn)行下一步驟的訓(xùn)練，不同訓(xùn)練階段所用時(shí)間不同。當(dāng)動(dòng)物需要排除干擾項(xiàng)作出選擇時(shí)，往往需要更長(zhǎng)的學(xué)習(xí)時(shí)間，如辨識(shí)蘋(píng)果圖片和空白對(duì)照。進(jìn)入新的學(xué)習(xí)階段，應(yīng)及時(shí)對(duì)已學(xué)內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)，從而使動(dòng)物更容易理解和記憶學(xué)習(xí)內(nèi)容。

3.7 黑葉猴具有較強(qiáng)的視覺(jué)學(xué)習(xí)認(rèn)知能力

研究中黑葉猴能根據(jù)口令，在2 張圖片中辨認(rèn)出相應(yīng)的圖片，即使變換圖片的左右位置或改變口令，也能較好地完成測(cè)試，測(cè)試平均正確率為82.0%。前期測(cè)試時(shí)正確率具有一定的波動(dòng)性，隨著測(cè)試次數(shù)的增加，從第16 次測(cè)試開(kāi)始，正確率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明隨著學(xué)習(xí)次數(shù)的增加，黑葉猴能積累學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，做出更多正確的判斷。黑葉猴對(duì)圖片的分辨能力，可能是基于圖片的顏色或形狀或二者的結(jié)合。陳郁初等［24］研究表明獼猴可以進(jìn)行顏色、圖形的分辨學(xué)習(xí)，但該研究只是針對(duì)單個(gè)因素的探索。本訓(xùn)練過(guò)程中，黑葉猴出現(xiàn)用手指摳圖片的動(dòng)作，說(shuō)明黑葉猴具有立體視覺(jué)，表明它更可能是通過(guò)圖片顏色和形狀相結(jié)合的大范圍特征來(lái)辨別。Huang等［25］研究表明，相對(duì)于局部特征猴視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)大范圍特征更敏感。視覺(jué)的存在本質(zhì)上是為了滿足動(dòng)物適應(yīng)環(huán)境的需要，黑葉猴具有視覺(jué)學(xué)習(xí)認(rèn)知能力對(duì)于其野外采摘果實(shí)、判斷距離、搜尋同伴、躲避天敵等生存具有重要的意義。圈養(yǎng)條件下缺乏野外環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)圈養(yǎng)動(dòng)物進(jìn)行視覺(jué)學(xué)習(xí)認(rèn)知訓(xùn)練，有助于激發(fā)動(dòng)物的學(xué)習(xí)能力，保持野外天性。

4 結(jié)論

圈養(yǎng)動(dòng)物的福利待遇不應(yīng)停留在食物和環(huán)境等基本需求上，還應(yīng)有認(rèn)知水平和精神層面的改善。正強(qiáng)化訓(xùn)練是提升動(dòng)物福利的重要方式，有助于動(dòng)物的身體和心理健康［26，27］。本研究采用正強(qiáng)化的行為訓(xùn)練方法成功地對(duì)黑葉猴進(jìn)行了視覺(jué)認(rèn)知訓(xùn)練，拓展了動(dòng)物園動(dòng)物行為訓(xùn)練領(lǐng)域，提升了動(dòng)物福利。