大脑如何学习新技能的探索与发现
大脑如何学习新技能的探索与发现
2024年12月6日修改
大脑的学习能力一直是神经科学领域的研究热点。人类的大脑具有“可塑性”，能够适应和重新连接自身，在学习与熟悉技能相关的新事物时，往往会更加容易。例如，对于一名专业网球运动员来说，学习打羽毛球可能比学习踢足球更容易。
加州理工学院的一项新研究旨在探索大脑可塑性的基本限制。研究发现，当学习与已掌握的技能相关的内容时，确实会更容易，因为预先存在的神经元结构限制了一个人能够在短时间内轻松学习的内容。换句话说，我们已经发展出的技能可能会限制我们在短期内能够轻松学习的新技能。
理查德·安德森（Richard Andersen）是加州理工学院神经科学的詹姆斯·G·博斯韦尔教授、T＆C 陈脑机接口中心领导主席以及天桥和克丽茜·陈神经科学研究所 T＆C 脑机接口中心主任。他表示：“我们希望了解人们如何学习以及这种学习在大脑中的发生位置。虽然这仍然是基础科学，但这项研究有一天可能会帮助那些中风或遭受其他脑外伤的人进行康复治疗。”该研究是在安德森的实验室与加州大学洛杉矶分校（UCLA）以及位于加利福尼亚州波莫纳的卡萨科利纳医院和医疗保健中心合作进行的。
这项研究重点关注了大脑中的一个区域，称为前顶内沟皮质（anterior intraparietal cortex，AIP）。这个区域控制着一个人的意图，特别是移动的意图。例如，当你伸手去拿一个物体时，你的 AIP 首先会编码你移动的意图，然后将信号发送到控制肌肉、肌腱等运动的大脑区域。
该研究由加州理工学院的博士后学者索菲亚·萨克拉里迪（Sofia Sakellaridi）和科学研究员瓦西里奥斯·克里斯托普洛斯（Vassilios Christopoulos）领导。研究人员与一名四肢瘫痪的成年女性合作，她的 AIP 中通过手术植入了微小的电极，以控制脑机接口（BMI）系统。BMI 可以测量该区域的神经活动，并可以编程将这种活动转化为假肢设备（例如计算机）的指令。通过这种方式，研究参与者可以通过思考来控制计算机屏幕上的光标移动。
在实验中，参与者会看到一个显示光标的计算机屏幕。当屏幕上的特定区域亮起时，她会被要求思考移动她瘫痪的右手腕，就好像她正在实际将光标从起始位置移动到突出显示的位置。BMI 会读取她的神经移动意图并相应地移动光标。
参与者 AIP 中的神经元会根据她的目标以不同的模式发射信号。例如，一些神经元会为预期的向上运动而发射信号，而另一些则为预期的向下运动而发射信号。前者被称为“向上调整”，后者被称为“向下调整”。BMI 最初会被校准，以准确地按照参与者的意图移动光标。例如，如果她想将光标向下移动，向下调整的神经元会增加其活动，将这种想法转化为光标的向下运动。
然后，研究人员改变了神经活动和光标运动之间的映射关系——例如，如果参与者想将手腕向下移动，光标会向上移动。对于一些新的映射，参与者能够适应这种干扰。在这些情况下，研究人员想知道这种调整是如何发生的。是控制 BMI 的单个神经元学会了改变它们的上下调整吗？还是参与者学会了在被指示向下移动时思考向上移动？
后者是学习使用新的认知策略的一个例子。克里斯托普洛斯解释说：“许多计算机用户都有过类似的自适应认知策略的经验：在苹果鼠标垫上，用户必须向上移动手指才能向下滚动。在 Windows 鼠标上，方向则相反。在这两种情况下，移动手的‘技能’是相同的，但一个人必须适应不同的映射。”
研究人员发现，参与者有时能够通过改变她的认知策略来适应光标的运动干扰。例如，她会说她在脑海中重新调整了光标的运动方向以完成任务。然而，参与者并不总是能够通过采用新的认知策略来解决映射干扰，在这些情况下，研究人员发现，她的大脑并没有产生全新的神经元活动模式。换句话说，她的适应性——特别是她将光标重新指向某些空间位置的能力——受到了所记录的特定神经元集合的调整限制。这表明一个人学习新技能的程度受到预先存在的神经连接的限制。
萨克拉里迪说：“情况可能并非总是如此。由于实验是以一小时为单位进行的——因此代表了短期学习——很可能 AIP 需要更多的训练时间来产生新的活动模式，例如学习新的运动技能。总的来说，我们的研究结果表明，某些类型的学习可能需要更长的时间来改变大脑。”
接下来，科学家们计划通过与在 AIP 以外的区域植入电极的人合作，研究大脑的不同区域。
一篇描述该研究的论文，题为《人类前顶内沟皮质对脑机接口控制的内在变量学习》，于 3 月 7 日在《神经元》杂志上在线发表。萨克拉里迪和克里斯托普洛斯是该研究的第一作者。其他共同作者包括加州理工学院的高级科学研究员泰森·阿弗拉洛（Tyson Aflalo）、加州理工学院实验室经理凯尔西·佩萨（Kelsie Pejsa）、卡萨科利纳的艾米丽·罗萨里奥（Emily Rosario）和黛布拉·欧莱特（Debra Ouellette）以及加州大学洛杉矶分校的纳德·普拉蒂安（Nader Pouratian）。该研究由美国国立卫生研究院、加州理工学院的 T＆C 陈脑机接口中心、博斯韦尔基金会和斯沃茨基金会提供资金支持。
大脑的学习机制是一个复杂而神秘的领域，这项研究为我们进一步理解大脑如何学习新技能提供了有价值的线索。通过对 AIP 区域的研究，我们发现预先存在的神经元结构对学习的限制，以及认知策略在适应新情况中的作用。然而，这只是冰山一角，我们还需要更多的研究来揭示大脑学习的全貌。未来，随着对大脑不同区域的深入研究，我们有望开发出更有效的康复治疗方法，帮助那些受到脑损伤的人恢复功能。同时，这也为教育和培训领域提供了启示，我们可以根据大脑的学习特点来设计更科学的教学方法，提高学习效果。总之，这项研究为我们打开了一扇了解大脑学习奥秘的新窗口，为人类的健康和发展带来了新的希望。