科学家揭开大脑快速学习的秘密

译 / 刘 欣

译 / 过 客

在思维方式转变时，人类大脑能够快速地提取和分析新信息。麻省理工学院（MIT）神经学科学家的一项新研究结果表明，这些转瞬即逝的大脑状态改变可以通过同步大脑不同区域的脑电波被记录下来。

研究人员发现，猴子学习如何分类由圆点组成的不同图案时，大脑中的前额叶皮质和纹状体会同步它们的脑电波，从而形成新的通信回路。

麻省理工学院皮考尔学院神经生物学教授, 此次研究论文的第一作者Earl Miller，在2014年6月12日出版的《神经元》(Neuron)杂志上发表论文：“研究发现了前额叶皮质和纹状体在学习中相互作用的直接证据，这在以前从未见过。类别学习使得这两个不同区域间相互作用产生新的节奏型功能性回路，这个新概念对系统神经学很重要。”

大脑中有数百万个神经元，每一个都产生独特的电子信号。这些信号组合在一起就形成了脑电波，科学家利用脑电图（EEG）测量脑电波。前额叶皮质是大脑中发出控制执行命令的地方，纹状体则控制着习惯的形成, 研究团队主要研究这两个区域的EEG模式。

Miller 认为脑电波同步现象的发生可能先于神经元突触的改变或者神经元的连接，这两种现象被认为是学习和形成持久记忆力的基础。这个过程常被称作“突触可塑性”，不过它耗费的时间过长，很难用来解释人类大脑的灵活性。

MIT 皮考尔学习与记忆院的学者Miller 认为，“由于塑造突触所需时间很长，所以大脑不可能做到通过不断地形成新突触，断开旧突触的方法来改变想法。大脑一定用了什么其他妙招建立产生我们现在的想法的动态回路，这些回路能在想法改变时断裂。我们认为可能是脑电波的同步建立的回路” 。

这份报告的主要作者Evan Antzoulatos以前是皮考尔学院博士后，他现在在加利福尼亚大学戴维斯分校。

一唱一和的脑电波

Miller 过去的实验表明, 大脑学习分类时，纹状体里的神经元先活跃起来，之后前额叶皮质中的神经元被慢慢激活。Miller说：“纹状体能够非常快地学习十分简单的事物，而前额叶皮质用纹状体的学习成果来学习更复杂的事物。就好像拼图时，纹状体识别拼图的每一小块碎片，前额叶皮质则将这些小碎片完整地拼凑在一起。”

在新的实验中，研究者想要探究前额叶皮质和纹状体是否相互独立。猴子将不同的圆点图案划分成不同的两个类别时，大脑的两个区域会产生EEG信号。研究人员测量了这个过程产生的EEG信号。

实验开始时，研究员给动物们看两个不同的圆点图案，或者说样本。每一轮实验结束后样本的数量翻倍，刚开始的时候，动物们可以轻松地记住哪个样本是属于哪个分类的。但是最后当样本数量变得很大时, 动物们很难记住所有样本的样子, 它们则开始学习总结每个分类的特点。

实验最后，猴子们能正确归类256个不同样本。

当猴子们的学习方式从死记硬背转换到研究每一个类别时，研究者在EEG上看到了相应的信号转移。由前额叶皮质和纹状体产生的脑电波, 也就是“β波”，开始相互同步。Miller说, 这个发现标志着两个区域间交流回路的形成。

他说：“一些未知的原理导致共振模式的形成，之后大脑区域间的回路开始一唱一和起来。回路的共鸣可能为之后大脑长期的适应性改变打下基础, 使结构上的回路真正形成。但是，这一切都从脑电波的一唱一和开始。”

实验进行一段时间后，动物们学会了分类，它们的纹状体和前额叶皮质间出现两个独立的回路，分别对应不同的类别。

知识的扩展

以前有研究发现，大脑在执行有认知需求的任务时，额叶和视觉皮层的同步增强。但是Miller的实验室第一次揭露了特定脑电波同步方式与特定思考方式有关联的事实。

Miller和Antzoulatos同时表示，前额叶皮质学习各个类别，并把类别信息发送给纹状体之后，前额叶皮质会随着新信息的加入进行自我修正，使学习内容更广阔。这个过程会不断重复。

Miller说，这就是人类如何在不断扩充知识中拥有开放性思维的原因。前额叶皮质并不仅仅学习分类, 它还要形成能将类别信息输送给纹状体的回路, 就好像皮层将新材料交给大脑进行精细加工一样。

研究员们会在后续实验中研究大脑如何学习更抽象的分类, 以及纹状体和前额叶皮质的活动是如何对应不同类型的抽象分类的。

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译 / 过 客

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