研究概要
从基本感知觉到复杂社会行为，人类各方面的认知能力存在个体差异。认知能力个体差异的来源一直是一个长期引起兴趣的话题1。任何能力都可能由先天遗传因素和后天环境因素共同影响。近几十年来利用经典双生子范式进行的广泛研究发现先天遗传因素几乎对所有的认知能力个体差异都具有重要贡献2。然而，按照认知过程处理对象的不同，认知过程大致可以分为两个不同层级：一般认知过程和对一般认知的认知过程（元认知：metacognition；心智化：mentalizing），高阶认知监测和调控低阶认知（图1A）。元认知能力涉及监控自我认知状态，而心智化能力则监控他人的认知状态3,4。不同层级的认知能力存在分离。例如，当一般认知任务的准确率在个体间匹配的情况下，元认知能力存在显著差异5,6。元认知能力和心智化能力深刻地影响个体所取得的成就，甚至大于个体智商7。然而，由于没有有效测量元认知能力和心智化能力的实验范式，目前双生子实验所检验的认知能力大部分都属于前者，而很少涉及到后者。北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室万小红课题组联合中国科学院心理研究所蒋毅课题组，通过设计新的实验8,9，借助经典双生子研究范式发现：元认知能力和心智化能力主要受环境因素影响，而很少受遗传因素影响。近日该研究成果以“Distinct Genetic and Environmental Origins of Hierarchical Cognitive Abilities in Adult Humans”为题在《CELL REPORTS》杂志在线发表。
图1. 任务范式和实验设置
实验设计
该研究利用元认知任务和心智化任务设计了双生子双盲实验【同卵（MZ），57对；异卵（DZ），48对】。在元认知任务中，被试进行知觉决策并评价自身的决策自信度，而在心智化任务中，被试观察他人的知觉决策过程并推测他人的决策自信度。实验中两对双生子一起来到实验室共同参与完成任务。每位被试均用挡板隔开，四名被试的实验同时进行，当某位被试进行心智化任务时，电脑随机匹配另一人同时进行元认知任务（图1）。
图2. 元认知任务中各个指标的ICC分析结果
图3. 元认知任务中两阶层行为指标的模型比较结果
研究结果
在元认知任务中，研究者通过组内相关系数法（ICC）比较了各个行为指标在被试间的相似度。结果发现，元认知任务中的所有一阶行为指标（coherence，median RT，mean confidence，variance RT）在MZ双生子内的ICCs高于DZ双生子内的ICC（图2A-D）。而二阶行为指标（RT-confidence correlation，gamma correlation，raw AUC，residual AUC）的ICCs在MZ和DZ双生子之间没有显示出显著差异（图2E-H），这些结果表明元认知任务中一阶行为指标的遗传贡献相当可观，而二阶行为指标的遗传贡献微乎其微。
为了量化遗传基因因素和共同环境因素的贡献，研究者利用最大似然估计比较了各种潜在结构方程模型(SEM)，以分解MZ和DZ双生子之间每种行为表型的协方差。这些模型包括加性遗传(A)或非加性遗传(D)、共同环境(C)、和非共同环境(E)等潜在因素不同组成成分。结果发现与一阶认知能力相关的行为指标均由AE或DE模型解释最适合，其中遗传因素在MZ和DZ双生子之间的个体差异的贡献范围为0.36至0.41。相反，与二阶认知能力相关的行为指标则由CE模型解释最适合，共同环境因素在个体差异中的贡献范围为0.17至0.40，而没有遗传基因因素影响。为了验证这些模型比较结果的可靠性，研究者利用bootstrap方法随机抽取四分之三的MZ和DZ双生子进行了10万次相同的分析过程。结果发现一阶认知能力中占主导地位的模型仍然是AE/DE模型，而二阶认知能力的主导模型是CE模型 (图3)。
在心智化任务中，研究者同样发现所有一阶行为指标（RT-weight，gamma correlation，raw AUC）的ICC在MZ双生子中的值都显著高于DZ双生子，而二阶行为指标（residual AUC）的ICC在MZ和DZ双生子之间没有显著差异（图4）。心智化任务的模型比较的结果也指出一阶行为指标主要由AE/DE模型解释，遗传贡献范围为0.31至0.46，而二阶行为指标由CE模型解释最适合，共同环境贡献约为0.23。bootstrap分析的结果也支持了这些发现（图5）。
图4. 心智化任务中各个指标的ICC分析结果
图5. 心智化任务中两阶层行为指标的模型比较结果
为了进一步评估共同环境具体因素的影响，研究者进一步根据被试的年龄、家庭收入和父母教育水平，将MZ和DZ双生子分为两个组。比较了各个共同家庭环境因素的贡献在这两组之间的差异。结果一致显示，较大年龄或较高家庭社会经济状态（家庭收入或父母教育水平）下共同环境因素对元认知能力和心智化能力的贡献更大 (图6)。这些发现突显了家庭环境在塑造二阶认知能力的重要性。
图6. 心智化任务中两阶层行为指标的模型比较结果
研究结论
综上所述，该研究利用经典双生子范式提供了实证证据，表明在功能上可分离的一阶认知和二阶认知在个体能力差异上也可能有不同来源。一阶认知能力的个体差异主要受遗传因素影响，而二阶认知能力的个体差异则受共同环境因素影响，其可能在认知发展过程中受共同家庭环境和文化所塑造10-12。因此，成人元认知能力和心智化能力很可能更多地受到他们成长环境影响，而较少地由他们的先天生物本质所决定。由于本实验所收集的实验被试样本受限，未来期待可以通过收集更大的双生子被试样本实验进一步验证该研究结果。该研究为进一步研究环境和文化如何塑造元认知能力和心智化能力提供了新的基石。
北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室万小红教授为本文通讯作者，课题组已毕业博士生江绍涵（现黄山学院讲师）为论文第一作者，课题组博士生孙凡茹、中国科学院心理研究所蒋毅课题组及蒋毅教授做出重要贡献。该研究被试来自于北京双生子研究库（BeTwiSt）。该研究部分受到科技部科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目（2021ZD0203701, X.W.; 2021ZD0203800, Y.J.）、国家自然科学基金项目（No. 31471068, X.W.; 31830037, Y.J.）、中国科学院创新交叉团队项目（JCTD-2021-06, Y.J.），临港实验室（LG-TKN-202205-01，X.W.）等资助。
Shaohan Jiang, Fanru Sun, Peijun Yuan,Yi Jiang, Xiaohong Wan. Distinct genetic and environmental origins of hierarchical cognitive abilities in adult humans. Cell Reports 43, 114060 (2024)
DOI: https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114060
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