Nat Neurosci：学习的奥秘--重复有时候不能让人快速掌握技能
以下文章来源于公众号：“SelfMindnSocialBrain”
人们常说：“如果一次没有成功，那就再试一次。”
但是，根据美国卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)和匹兹堡大学(University of Pittsburgh)的一项最新研究发现，学习成功与否并不完全和重复相关，换言之，重复有时候并不能让人快速掌握技能。相反，像唤醒（arousal），动机（motivation）和参与（engagement）这些内部状态的改变会对学习进程产生重要影响。相关论文于2021年3月29日发表于国际顶尖学术期刊《自然-神经科学》“Nature Neuroscience”。
为了揭示内部状态改变是会干扰还是提升学习表现，由卡内基梅隆大学神经科学研究所Jay A. Hennig领导的研究团队，首次使用猴子的脑机接口（brain–computer interface, BCI）学习范例探究了神经活动与行为间的因果性关系。研究结果表明，内部状态的变化可以系统地影响行为如何随着学习而改善。该研究可以帮助人们寻找到能够更快地掌握新技能，并达到更高熟练程度的方法。
为了探究在学习过程中神经活动是如何变化的，以及这些变化在多大程度上受到个体内部状态波动的影响。研究者训练了三只恒河猴，让它们调节初级运动皮层(M1)约90个单位的活动，用BCI在屏幕上移动电脑光标。
图1 研究范式和过程图
在研究过程中，研究者首先确定了运动皮层M1群体活动（neural population activity in motor cortex）中最大波动的维度。令人惊讶的是，神经群体活动沿这些维度的突然变化是由任务各个方面的变化所触发的——从任务的短暂停顿到BCI映射的扰动。此外，神经群体活动在这些维度上的反复试验变化与猴子瞳孔大小的变化相关。该结果表明，M1神经群体活动在这些维度上的变化可能与猴子在整个实验过程中的觉醒、对任务的投入或动机有关。因此，研究者将这些维度称为“神经参与”轴（'neural engagement’ axes）。
图2 在第一次学习任务实验中，不论神经参与对任务表现的影响如何，神经参与都有所增加。a,b，在新的脑机接口映射中，神经参与的增加导致光标向目标方向移动更快(a)或更慢(b)的示意图。c,神经参与增加的分布随学习表现而变。
为了研究沿着神经参与轴的活动变化是如何与学习相互作用的，研究者打乱了神经活动和游标运动之间的映射关系，要求猴子修改它们产生的神经活动，以恢复游标对每个目标的熟练控制。结果发现，神经群体的活动并没有从学习前产生的活动到学习结束时产生活动的直接路径。特别是，在学习开始时，神经活动沿着神经参与轴发生了突然的变化。不管神经连接轴和游标运动之间的关系如何，这种变化都会发生。游标运动导致某些目标的行为表现立即得到改善，而另一些目标的行为表现则会受损。突变后，神经活动沿神经接合轴撤退，对不同目标的性能影响不同。这些发现使我们能够预测哪些目标会比其他目标学习得更快，基于神经参与如何与学习任务的要求相互作用。
图3 神经参与轴和任务表现间的关系预测学习效率
前人研究已经观察到学习早期神经变异性的增加可能允许大脑通过探索新的神经活动模式来改善行为。而该研究不但证实了前人的研究，还提供了一种新的解释。该研究发现，在大多数个体神经单元中，增加的神经投入与增加的调制深度和神经变异性相对应。如果与神经活动变化相关的学习确实是一个探索性的开始，那么，这个过程可能不是一个一般的探索过程(只增加变化，不改变平均值)，而是一种刻板的探索过程(也就是说,神经活动沿着神经参与轴在一个特定的方向移动，这也导致了更多的变化)。重要的是，该研究发现神经参与即使在不学习时也会增加(如，在block 1暂停后)。这就提出了一个可能性，前人研究发现的神经变异的变化可能由不同的内部状态所驱动，它们并非仅仅是一种探索性的冲动，而是反映动物对环境不确定的内部状态。
内部状态的变化会每时每刻影响我们如何感知刺激，以及如何完成一个动作。该研究结果发现内部状态的变化会影响学习过程中行为的演变。从而提示，内部状态波动不仅会影响当前的行为，而且会通过与学习过程的交互影响未来的行为。
参考文献
Jay A. Hennig, Emily R. Oby, Matthew D. Golub, Lindsay A. Bahureksa, Patrick T. Sadtler,Kristin M. Quick, Stephen I. Ryu, Elizabeth C. Tyler-Kabara, Aaron P. Batista,Steven M. Chase, Byron M. Yu. Learningis shaped by abrupt changes inneural engagement. Nature Neuroscience, 2021; DOI: 10.1038/s41593-021-00822-8
College ofEngineering, Carnegie Mellon University. (2021, April 1). Connecting the dotsbetween engagement and learning: Impact of internal states on learning. ScienceDaily. Retrieved April 5, 2021 fromwww.sciencedaily.com/releases/2021/04/210401131158.htm