在腦機(jī)接口的幫助下，我們開(kāi)始了解為什么學(xué)習(xí)是個(gè)很難的過(guò)程

某些情況下，大腦的適應(yīng)能力似乎是用之不竭的。但通過(guò)觀察學(xué)習(xí)狀態(tài)下的大腦活動(dòng)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這一過(guò)程中大腦的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)功能出乎意料地死板和低效。

學(xué)習(xí)能力是人類智力的標(biāo)志。數(shù)十年的研究表明，我們的大腦能夠表現(xiàn)出高度的“可塑性”，這意味著神經(jīng)元之間的連接可以重組，來(lái)響應(yīng)新刺激。但卡耐基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）和匹茲堡大學(xué)（University of Pittsburgh）的研究人員最近吃驚地發(fā)現(xiàn)大腦中的神經(jīng)元在學(xué)習(xí)過(guò)程（譯注：這通常和可塑性密切相關(guān)）中并沒(méi)那么強(qiáng)的建立新連接的能力。大腦也許具有高度的靈活性和整體適應(yīng)性，但至少在短時(shí)間內(nèi)，它在學(xué)習(xí)過(guò)程中更多是依賴于從神經(jīng)元庫(kù)中低效地循環(huán)已有模式，而非從頭開(kāi)始重新建立連接。

“每當(dāng)我打壁球時(shí)，我看起來(lái)卻總像一個(gè)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員，”卡耐基梅隆大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師、神經(jīng)科學(xué)家拜倫·于（Byron Yu，音）說(shuō)，他是這項(xiàng)研究的主導(dǎo)科學(xué)家之一。于已經(jīng)打了很多年的網(wǎng)球，他的問(wèn)題在于壁球需要較短的球拍，以及更快、更有力的擊球，這與他以往打網(wǎng)球的經(jīng)歷有很大的不同。然而在一場(chǎng)壁球比賽中，他沿用了網(wǎng)球的習(xí)慣打法，這種習(xí)慣已經(jīng)在他身上留下了深刻的烙印。大腦并不會(huì)輕易放棄它已知的東西。

現(xiàn)在，在觀察大腦學(xué)習(xí)狀態(tài)下的活動(dòng)時(shí)，于和他的同事已經(jīng)在神經(jīng)層面上發(fā)現(xiàn)了類似可塑性缺乏的證據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)和團(tuán)隊(duì)的其它相關(guān)研究可能有助于解釋為什么有些東西比其他東西更難學(xué)。

幾年前， 于、匹茲堡大學(xué)的亞倫·巴蒂斯塔（Aaron Batista）和他們的實(shí)驗(yàn)室成員開(kāi)始使用腦機(jī)接口（BCI）作為研究神經(jīng)科學(xué)的工具。這些設(shè)備的芯片尺寸大致與指甲蓋一樣大，可以一次追蹤大腦運(yùn)動(dòng)皮層中近 100 個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)。 BCI 能夠隨著時(shí)間的推移監(jiān)測(cè)通過(guò)每個(gè)神經(jīng)元的電壓峰值，從而計(jì)算“發(fā)放率”（spike rate）來(lái)表示任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中每個(gè)神經(jīng)元的行為。

通過(guò)腦機(jī)接口控制椅子移動(dòng)的猴子 圖片來(lái)源：Innovation Memes

“你可以想象一下，挖掘所有數(shù)據(jù)來(lái)看看大腦正在做什么有多困難，”于說(shuō)。 “我們的眼睛沒(méi)有經(jīng)過(guò)足夠的訓(xùn)練，無(wú)法發(fā)現(xiàn)其中的精細(xì)模式?！钡切酒瑑?nèi)置的高級(jí)統(tǒng)計(jì)分析功能可以做到這一點(diǎn)，被識(shí)別出的模式可以識(shí)別測(cè)試對(duì)象進(jìn)行特定運(yùn)動(dòng)時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)。例如，系統(tǒng)可以辨別被測(cè)試對(duì)象伸展手臂時(shí)究竟是要向左還是向右，向上還是向下。

然后研究人員可以使用 BCI 的輸出，將代表某個(gè)特定軀體運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)活動(dòng)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)屏幕上光標(biāo)的方向控制。通過(guò)試錯(cuò)和訓(xùn)練，操作界面的人或動(dòng)物能通過(guò)想象他們的手臂活動(dòng)來(lái)移動(dòng)計(jì)算機(jī)的光標(biāo)，這是可以通過(guò)學(xué)習(xí)掌握的。

當(dāng)于、巴蒂斯塔和同事們?cè)诤镒臃磸?fù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的揮手任務(wù)時(shí)監(jiān)測(cè)了它的運(yùn)動(dòng)皮層，卻發(fā)現(xiàn)相關(guān)神經(jīng)元沒(méi)有產(chǎn)生獨(dú)立的發(fā)放活動(dòng)：被測(cè)量的 100 個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)從統(tǒng)計(jì)學(xué)上能夠用大約 10 個(gè)神經(jīng)元來(lái)代替，這些神經(jīng)元能分別激活或抑制其他神經(jīng)元。在研究人員的分析中，這個(gè)結(jié)果顯示為一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，包含有一小部分 100 維數(shù)據(jù)的空間。

卡耐基梅隆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授史蒂文·蔡司（Steven Chase）說(shuō)：“我們將其稱之為先天流形（intrinsic manifold，流形是局部具有歐氏空間性質(zhì)的空間），因?yàn)槲覀冋J(rèn)為這是大腦的固有特性。這個(gè)空間的維度高度預(yù)示著這些神經(jīng)元的功能?！?/p>

2014 年，研究人員觀察到，如果被試對(duì)象在學(xué)習(xí)新任務(wù)的過(guò)程中神經(jīng)活動(dòng)模式涉及這種先天流形，就可以更容易地學(xué)習(xí)新任務(wù)。于說(shuō)，這個(gè)結(jié)果是有道理的，因?yàn)樘幵谙忍炝餍尉S度的任務(wù)對(duì)大腦的要求與其潛在的神經(jīng)結(jié)構(gòu)是一致的。完成這項(xiàng)研究后，該團(tuán)隊(duì)將注意力轉(zhuǎn)向了學(xué)習(xí)期間神經(jīng)活動(dòng)如何變化的問(wèn)題， 他們近日在 Nature Neuroscience 上發(fā)表了一篇論文

為了找到上述問(wèn)題的答案，研究人員首先讓配備有 BCI 的靈長(zhǎng)類動(dòng)物熟練地掌握將光標(biāo)左右移動(dòng)的任務(wù)。然后，團(tuán)隊(duì)改變了移動(dòng)光標(biāo)的神經(jīng)活動(dòng)要求，想看看大腦內(nèi)的神經(jīng)活動(dòng)會(huì)有怎樣的新模式出現(xiàn)——內(nèi)在流形中只要出現(xiàn)了一個(gè)新的點(diǎn)，就代表著受試的動(dòng)物已經(jīng)在新條件下完成了移動(dòng)光標(biāo)的任務(wù)。

研究人員希望看到他們稱之為“重排”（realignment）的學(xué)習(xí)策略的證據(jù)。在這種策略中，動(dòng)物會(huì)在新形成的神經(jīng)活動(dòng)模式中選擇一種最自然的開(kāi)始使用。于和蔡司的合作者、目前在斯坦福大學(xué)工作的馬修·戈盧布（Matthew Golub）表示：“受制于先天流形的各類限制，重排是動(dòng)物可以選擇的最佳策略?！被蛘?，猴子的大腦可能通過(guò)“重縮放”（rescaling）的過(guò)程來(lái)學(xué)習(xí)——參與初始學(xué)習(xí)任務(wù)的神經(jīng)元會(huì)增加或減少它們的發(fā)放率，直到它們“磕磕巴巴”地形成一個(gè)新的模式來(lái)完成新任務(wù)。

但令研究人員驚訝的是，無(wú)論是重排還是重縮放都沒(méi)有發(fā)生。相反，他們觀察到一種稱為“重關(guān)聯(lián)”（reassociation）的非常低效的方法。受試動(dòng)物只是通過(guò)重復(fù)初始神經(jīng)活動(dòng)模式并對(duì)其進(jìn)行交換來(lái)學(xué)習(xí)新任務(wù)。先前將光標(biāo)向左移動(dòng)時(shí)的神經(jīng)模式被用到了將光標(biāo)向右移動(dòng)的任務(wù)中，反之亦然。“它們正在重復(fù)過(guò)去曾經(jīng)做過(guò)的事，”戈盧布說(shuō)，“在新任務(wù)中仍是如此。”

為什么大腦不去使用最優(yōu)的學(xué)習(xí)策略？該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果表明，正如神經(jīng)結(jié)構(gòu)將神經(jīng)元的活動(dòng)限制在先天流形空間里一樣，一些更強(qiáng)的約束限制了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的神經(jīng)元活動(dòng)重組。巴蒂斯塔認(rèn)為，重排過(guò)程中，神經(jīng)元之間突觸連接的改變可能很難快速完成?！按竽X的短期可塑性肯定比我們想象中更加有限，”他說(shuō)?！皩W(xué)習(xí)需要忘記。大腦可能不情愿放棄它已經(jīng)學(xué)會(huì)了的事情?！?/p>

蔡司將運(yùn)動(dòng)皮層比作老式電話交換機(jī)，神經(jīng)連接就像電纜，將來(lái)自皮層其他區(qū)域的輸入信號(hào)傳送到小腦，然后輸出。在蔡司的實(shí)驗(yàn)中，大腦“只是對(duì)這些‘電纜線路’進(jìn)行重新排列” ——不過(guò)這其中所包含的意義仍然未知。

“應(yīng)急策略是改變大腦皮層所接受的輸入信號(hào)，”于說(shuō)。但他也指出，他的實(shí)驗(yàn)只能追蹤大腦活動(dòng)一兩個(gè)小時(shí)。研究人員還不能排除重關(guān)聯(lián)是大腦快速學(xué)習(xí)新任務(wù)的臨時(shí)方式的可能性：在更長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)，重排或重縮放可能仍然會(huì)出現(xiàn)。

如果是這樣，這就可能解釋新手和專家在處理他們都感興趣的新信息時(shí)的不同?！俺鯇W(xué)者會(huì)去學(xué)習(xí)入手的所有內(nèi)容，專家則會(huì)鞏固知識(shí)，”巴蒂斯塔說(shuō)?！斑@可能是這個(gè)眾所周知的現(xiàn)象的神經(jīng)基礎(chǔ)?！?/p>