科學(xué)家揭開(kāi)大腦快速學(xué)習(xí)的秘密

譯 / 劉 欣

譯 / 過(guò) 客

在思維方式轉(zhuǎn)變時(shí)，人類大腦能夠快速地提取和分析新信息。麻省理工學(xué)院（MIT）神經(jīng)學(xué)科學(xué)家的一項(xiàng)新研究結(jié)果表明，這些轉(zhuǎn)瞬即逝的大腦狀態(tài)改變可以通過(guò)同步大腦不同區(qū)域的腦電波被記錄下來(lái)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，猴子學(xué)習(xí)如何分類由圓點(diǎn)組成的不同圖案時(shí)，大腦中的前額葉皮質(zhì)和紋狀體會(huì)同步它們的腦電波，從而形成新的通信回路。

麻省理工學(xué)院皮考爾學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)教授, 此次研究論文的第一作者Earl Miller，在2014年6月12日出版的《神經(jīng)元》(Neuron)雜志上發(fā)表論文：“研究發(fā)現(xiàn)了前額葉皮質(zhì)和紋狀體在學(xué)習(xí)中相互作用的直接證據(jù)，這在以前從未見(jiàn)過(guò)。類別學(xué)習(xí)使得這兩個(gè)不同區(qū)域間相互作用產(chǎn)生新的節(jié)奏型功能性回路，這個(gè)新概念對(duì)系統(tǒng)神經(jīng)學(xué)很重要?！?/p>

大腦中有數(shù)百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元，每一個(gè)都產(chǎn)生獨(dú)特的電子信號(hào)。這些信號(hào)組合在一起就形成了腦電波，科學(xué)家利用腦電圖（EEG）測(cè)量腦電波。前額葉皮質(zhì)是大腦中發(fā)出控制執(zhí)行命令的地方，紋狀體則控制著習(xí)慣的形成, 研究團(tuán)隊(duì)主要研究這兩個(gè)區(qū)域的EEG模式。

Miller 認(rèn)為腦電波同步現(xiàn)象的發(fā)生可能先于神經(jīng)元突觸的改變或者神經(jīng)元的連接，這兩種現(xiàn)象被認(rèn)為是學(xué)習(xí)和形成持久記憶力的基礎(chǔ)。這個(gè)過(guò)程常被稱作“突觸可塑性”，不過(guò)它耗費(fèi)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，很難用來(lái)解釋人類大腦的靈活性。

MIT 皮考爾學(xué)習(xí)與記憶院的學(xué)者M(jìn)iller 認(rèn)為，“由于塑造突觸所需時(shí)間很長(zhǎng)，所以大腦不可能做到通過(guò)不斷地形成新突觸，斷開(kāi)舊突觸的方法來(lái)改變想法。大腦一定用了什么其他妙招建立產(chǎn)生我們現(xiàn)在的想法的動(dòng)態(tài)回路，這些回路能在想法改變時(shí)斷裂。我們認(rèn)為可能是腦電波的同步建立的回路” 。

這份報(bào)告的主要作者Evan Antzoulatos以前是皮考爾學(xué)院博士后，他現(xiàn)在在加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校。

一唱一和的腦電波

Miller 過(guò)去的實(shí)驗(yàn)表明, 大腦學(xué)習(xí)分類時(shí)，紋狀體里的神經(jīng)元先活躍起來(lái)，之后前額葉皮質(zhì)中的神經(jīng)元被慢慢激活。Miller說(shuō)：“紋狀體能夠非?？斓貙W(xué)習(xí)十分簡(jiǎn)單的事物，而前額葉皮質(zhì)用紋狀體的學(xué)習(xí)成果來(lái)學(xué)習(xí)更復(fù)雜的事物。就好像拼圖時(shí)，紋狀體識(shí)別拼圖的每一小塊碎片，前額葉皮質(zhì)則將這些小碎片完整地拼湊在一起?！?/p>

在新的實(shí)驗(yàn)中，研究者想要探究前額葉皮質(zhì)和紋狀體是否相互獨(dú)立。猴子將不同的圓點(diǎn)圖案劃分成不同的兩個(gè)類別時(shí)，大腦的兩個(gè)區(qū)域會(huì)產(chǎn)生EEG信號(hào)。研究人員測(cè)量了這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的EEG信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，研究員給動(dòng)物們看兩個(gè)不同的圓點(diǎn)圖案，或者說(shuō)樣本。每一輪實(shí)驗(yàn)結(jié)束后樣本的數(shù)量翻倍，剛開(kāi)始的時(shí)候，動(dòng)物們可以輕松地記住哪個(gè)樣本是屬于哪個(gè)分類的。但是最后當(dāng)樣本數(shù)量變得很大時(shí), 動(dòng)物們很難記住所有樣本的樣子, 它們則開(kāi)始學(xué)習(xí)總結(jié)每個(gè)分類的特點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)最后，猴子們能正確歸類256個(gè)不同樣本。

當(dāng)猴子們的學(xué)習(xí)方式從死記硬背轉(zhuǎn)換到研究每一個(gè)類別時(shí)，研究者在EEG上看到了相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)移。由前額葉皮質(zhì)和紋狀體產(chǎn)生的腦電波, 也就是“β波”，開(kāi)始相互同步。Miller說(shuō), 這個(gè)發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著兩個(gè)區(qū)域間交流回路的形成。

他說(shuō)：“一些未知的原理導(dǎo)致共振模式的形成，之后大腦區(qū)域間的回路開(kāi)始一唱一和起來(lái)。回路的共鳴可能為之后大腦長(zhǎng)期的適應(yīng)性改變打下基礎(chǔ), 使結(jié)構(gòu)上的回路真正形成。但是，這一切都從腦電波的一唱一和開(kāi)始?！?/p>

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后，動(dòng)物們學(xué)會(huì)了分類，它們的紋狀體和前額葉皮質(zhì)間出現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的回路，分別對(duì)應(yīng)不同的類別。

知識(shí)的擴(kuò)展

以前有研究發(fā)現(xiàn)，大腦在執(zhí)行有認(rèn)知需求的任務(wù)時(shí)，額葉和視覺(jué)皮層的同步增強(qiáng)。但是Miller的實(shí)驗(yàn)室第一次揭露了特定腦電波同步方式與特定思考方式有關(guān)聯(lián)的事實(shí)。

Miller和Antzoulatos同時(shí)表示，前額葉皮質(zhì)學(xué)習(xí)各個(gè)類別，并把類別信息發(fā)送給紋狀體之后，前額葉皮質(zhì)會(huì)隨著新信息的加入進(jìn)行自我修正，使學(xué)習(xí)內(nèi)容更廣闊。這個(gè)過(guò)程會(huì)不斷重復(fù)。

Miller說(shuō)，這就是人類如何在不斷擴(kuò)充知識(shí)中擁有開(kāi)放性思維的原因。前額葉皮質(zhì)并不僅僅學(xué)習(xí)分類, 它還要形成能將類別信息輸送給紋狀體的回路, 就好像皮層將新材料交給大腦進(jìn)行精細(xì)加工一樣。

研究員們會(huì)在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中研究大腦如何學(xué)習(xí)更抽象的分類, 以及紋狀體和前額葉皮質(zhì)的活動(dòng)是如何對(duì)應(yīng)不同類型的抽象分類的。

小知識(shí)

科學(xué)家實(shí)驗(yàn)證實(shí)睡覺(jué)也能學(xué)習(xí)知識(shí)

譯 / 過(guò) 客

據(jù)瑞士國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的《大腦皮層》雜志的一項(xiàng)研究稱，在睡眠時(shí)收聽(tīng)新學(xué)習(xí)的外語(yǔ)詞匯能夠幫助強(qiáng)化單詞的記憶。