Language evolution and recursion : an empirical investigation of human hierarchical processing

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas (Neurociências), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2014Humans generate complex hierarchical structures in a variety of domains such as in language, social organization, music, action sequencing and visual arts. One cognitive capacity associated with this extraordinary generative power is recursion. Recursion is a very efficient method to process hierarchies and it allows the generation of unbounded hierarchical depth from finite means. Recursion can be defined as the ability to represent the embedding of hierarchies within hierarchies of the same kind. Although recursion has been hypothesized as uniquely human and primarily linguistic, the empirical investigation of these hypotheses has been hindered by the absence of methods to test for recursive capabilities outside the domain of language. In this thesis I present a novel task that can be used to investigate the ability to represent recursion (hierarchical self-similarity) in the visuo-spatial domain. I will describe a set of experiments in which I attempt to characterize recursion as a psychological entity by describing its relationship with other cognitive abilities, as well as its developmental patterns and neural underpinnings. The conclusions of this research program are the following: 1) humans can represent recursion in the visuo-spatial domain; 2) this ability requires the acquisition of abstract rules; 3) recursion can be efficiently used to represent information common to different levels of a hierarchy, and it enhances the ability to detect fine-grained hierarchical mistakes, 4) linguistic resources are not specifically active while processing visual recursion neither behaviorally nor at the neural level, however recursion seems to require the integration of spatial and categorical information. The novel task and results presented here open up exciting pathways in the investigation of recursion as a cognitive ability. Because it is a visual task, not requiring verbal instructions or responses, it can also be used to test non-human primates and clinical populations with language impairment.A espécie humana é capaz de produzir hierarquias complexas na linguagem, organização social, música, actividade motora e nas artes visuais. O poder generativo da cognição humana tem sido associado a um módulo computacional designado recursividade, que pode ser definido como a capacidade de representar a incorporação de hierarquias dentro de hierarquias do mesmo tipo. A recursividade pode ser usada de modo eficiente no processamento de hierarquias, permitindo a geração de estruturas infinitamente profundas partindo de um número finito de elementos. Esta capacidade tem sido postulada como exclusivamente humana e primariamente linguística. No entanto, a investigação empírica destas hipóteses tem sido dificultada pela ausência de um método para testar capacidades recursivas fora do domínio linguístico. Nesta tese irei apresentar um novo método para testar a capacidade de representar a recursividade no domínio visuo-espacial. Irei descrever uma série de experiências nas quais caracterizarei a recursividade como uma entidade psicológica, descrevendo de que forma se relaciona com outras capacidades cognitivas, o seu padrão de desenvolvimento e correlatos neurais. As conclusões deste programa de investigação são as seguintes: 1) a espécie humana é capaz de representar recursividade visuo-espacial; 2) esta capacidade requer a aquisição de regras abstractas; 3) a recursividade é usada para representar informação comum a vários níveis hierárquicos e melhora a capacidade de detectar erros estruturais ao nível dos pequenos detalhes; 4) o processamento de recursividade visual não activa especificamente recursos verbais, quer ao nível do comportamento quer ao nível neural, contudo esta capacidade requer a integração de informação espacial e categorial. A tarefa e os resultados inovadores aqui apresentados abrem novas vias de investigação relativamente à capacidade de utilizar recursividade ao nível cognitivo. Por ser uma tarefa visual não requer instruções nem respostas verbais, pelo que pode ser usada para testar primatas não humanos e populações clínicas com defeitos de linguagem.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT); European Research Council (ERC