Nature揭开了神经科学的圣杯：学习的惊喜

Nature：Rapid emergence of latent knowledge in the sensory cortex drives learning

　　

约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）的研究人员首次揭示了动物犯错时大脑中发生的事情，从而揭开了神经科学的圣杯：我们如何学习的机制。

研究小组通过观察单个神经元的活动，确定了小鼠学习新技能的确切时刻，证实了早期的研究成果，即动物是快速学习者，它们有意测试新知识的边界。

这项研究颠覆了有关学习速度和感觉皮层作用的假设，研究人员认为，这项研究将适用于包括人类在内的所有动物物种。

约翰·霍普金斯大学研究人类和动物学习能力的神经科学家Kishore Kuchibhotla说，“通过观察小鼠大脑的一小部分，我们可以了解大脑是如何学习的，我们还可以预测人类大脑可能是如何工作的。神经科学领域在解码运动活动以及大脑如何处理视觉和声音方面取得了巨大进展。但这类研究的圣杯是思想——它介于听和做之间——我们都在试图理解大脑活动的模式，它隐藏在更高层次的认知过程之下。这些发现是朝着这个方向迈出的一步。”

尽管快速学习的能力对任何野生动物都有好处，但在实验室里研究的动物似乎学习得很慢，也很有条理。例如，小鼠通常需要数千次尝试来学习一项任务，最多几百次。

Kuchibhotla的实验室之前发现，动物的表现不一定与它们的知识同步，或者动物可能知道的比它们在测试中表现出来的要多得多。该实验室还发现，那些学习速度较慢的动物可能是在测试它们的新知识。但仅仅通过观察动物在任务中的挣扎，他们无法区分学习速度慢的动物和边界战略测试者。

Kuchibhotla说：“我们感兴趣的是，人类和其他动物可能知道一些关于世界的事情，那些他们选择不表现出来的事情。”“我们的核心问题是，学习和表现之间区别的神经基础是什么。”

研究人员教小鼠在听到一种声音时舔，而在听到不同的声音时不舔。从训练开始的那一刻起，研究小组就记录了听觉皮层神经元的活动，听觉皮层是大脑中与听觉和感知相关的区域。

有两大惊喜。首先，小鼠学习了20到40次，“非常快”，Kuchibhotla说。其次，这种学习活动发生在感觉皮层，这通常与大脑的非感觉区域有关。

“这项工作说明了评估大脑活动在学习过程的不同阶段和不同条件下如何影响行为的重要性，”第一作者、约翰霍普金斯大学研究神经科学的博士后Celine Drieu说。“我们的研究结果表明，感觉皮层不仅仅是处理感觉输入；在感官线索和强化行为之间形成联系也很重要。”

当小鼠继续犯错，在错误的时间舔舐时，它们的神经活动表明它们已经学会了这项任务，它们的大脑活动向研究人员证实了小鼠知道游戏规则——它们只是在做实验。

“我们能够解码错误的认知驱动因素，”Kuchibhotla说。“我们可以判断这只动物是犯了一个错误，还是只是想给另一个选择一个机会。”

一旦小鼠掌握了任务并停止了它们的探索行为，这种高阶活动就开始减弱，感觉皮层就不再参与任务。

“我们认为这意味着动物比我们想象的更聪明，并且有与学习相关的独特的大脑动态。你可能知道一些东西，但有一个平行的过程与你如何使用它有关。大脑似乎天生就能做到这一点，让我们在表现和学习之间切换，因为我们在某件事上做得越来越好。”