某些情況下，大腦的適應能力似乎是用之不竭的。但通過(guò)觀(guān)察學(xué)習狀態(tài)下的大腦活動(dòng)，科學(xué)家們發(fā)現，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)習能力是人類(lèi)智力的標志。數十年的研究表明，我們的大腦能夠表現出高度的“可塑性”，這意味著(zhù)神經(jīng)元之間的連接可以重組，來(lái)響應新刺激。但卡耐基梅隆大學(xué)（CarnegieMellonUniversity）和匹茲堡大學(xué)（UniversityofPittsburgh）的研究人員最近吃驚地發(fā)現大腦中的神經(jīng)元在學(xué)習過(guò)程（譯注：這通常和可塑性密切相關(guān)）中并沒(méi)那么強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性，但至少在短時(shí)間內，它在學(xué)習過(guò)程中更多是依賴(lài)于從神經(jīng)元庫中低效地循環(huán)已有模式，而非從頭開(kāi)始重新建立連接。

“每當我打壁球時(shí)，我看起來(lái)卻總像一個(gè)網(wǎng)球運動(dòng)員，”卡耐基梅隆大學(xué)的生物醫學(xué)工程師、神經(jīng)科學(xué)家拜倫·于（ByronYu，音）說(shuō)，他是這項研究的主導科學(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)球的習慣打法，這種習慣已經(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。

現在，在觀(guān)察大腦學(xué)習狀態(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)現了類(lèi)似可塑性缺乏的證據。這一發(fā)現和團隊的其它相關(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（AaronBatista）和他們的實(shí)驗室成員開(kāi)始使用腦機接口（BCI）作為研究神經(jīng)科學(xué)的工具。這些設備的芯片尺寸大致與指甲蓋一樣大，可以一次追蹤大腦運動(dòng)皮層中近100個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)。BCI能夠隨著(zhù)時(shí)間的推移監測通過(guò)每個(gè)神經(jīng)元的電壓峰值，從而計算“發(fā)放率”（spikerate）來(lái)表示任務(wù)執行過(guò)程中每個(gè)神經(jīng)元的行為。

通過(guò)腦機接口控制椅子移動(dòng)的猴子圖片來(lái)源：InnovationMemes

“你可以想象一下，挖掘所有數據來(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)足夠的訓練，無(wú)法發(fā)現其中的精細模式。”但是芯片內置的高級統計分析功能可以做到這一點(diǎn)，被識別出的模式可以識別測試對象進(jìn)行特定運動(dòng)時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)。例如，系統可以辨別被測試對象伸展手臂時(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)特定軀體運動(dòng)的神經(jīng)活動(dòng)轉換為計算機屏幕上光標的方向控制。通過(guò)試錯和訓練，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)計算機的光標，這是可以通過(guò)學(xué)習掌握的。

當于、巴蒂斯塔和同事們在猴子反復進(jìn)行簡(jiǎn)單的揮手任務(wù)時(shí)監測了它的運動(dòng)皮層，卻發(fā)現相關(guān)神經(jīng)元沒(méi)有產(chǎn)生獨立的發(fā)放活動(dòng)：被測量的100個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)從統計學(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)結果顯示為一組數據點(diǎn)，包含有一小部分100維數據的空間。

卡耐基梅隆大學(xué)生物醫學(xué)工程教授史蒂文·蔡司（StevenChase）說(shuō)：“我們將其稱(chēng)之為先天流形（intrinsicmanifold，流形是局部具有歐式空間性質(zhì)的空間），因為我們認為這是大腦的固有特性。這個(gè)空間的維度高度預示著(zhù)這些神經(jīng)元的功能。”

2014年，研究人員觀(guān)察到，如果被試對象在學(xué)習新任務(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)習新任務(wù)。于說(shuō)，這個(gè)結果是有道理的，因為處在先天流形維度的任務(wù)對大腦的要求與其潛在的神經(jīng)結構是一致的。完成這項研究后，該團隊將注意力轉向了學(xué)習期間神經(jīng)活動(dòng)如何變化的問(wèn)題，他們近日在NatureNeuroscience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(cháng)類(lèi)動(dòng)物熟練地掌握將光標左右移動(dòng)的任務(wù)。然后，團隊改變了移動(dòng)光標的神經(jīng)活動(dòng)要求，想看看大腦內的神經(jīng)活動(dòng)會(huì )有怎樣的新模式出現——內在流形中只要出現了一個(gè)新的點(diǎn)，就代表著(zhù)受試的動(dòng)物已經(jīng)在新條件下完成了移動(dòng)光標的任務(wù)。

研究人員希望看到他們稱(chēng)之為“重排”（realignment）的學(xué)習策略的證據。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（MatthewGolub）表示：“受制于先天流形的各類(lèi)限制，重排是動(dòng)物可以選擇的最佳策略。”或者，猴子的大腦可能通過(guò)“重縮放”（rescaling）的過(guò)程來(lái)學(xué)習——參與初始學(xué)習任務(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(guān)察到一種稱(chēng)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)重復初始神經(jīng)活動(dòng)模式并對其進(jìn)行交換來(lái)學(xué)習新任務(wù)。先前將光標向左移動(dòng)時(shí)的神經(jīng)模式被用到了將光標向右移動(dòng)的任務(wù)中，反之亦然。“它們正在重復過(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)習策略？該團隊的研究結果表明，正如神經(jīng)結構將神經(jīng)元的活動(dòng)限制在先天流形空間里一樣，一些更強的約束限制了實(shí)驗過(guò)程中的神經(jīng)元活動(dòng)重組。巴蒂斯塔認為，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。“大腦的短期可塑性肯定比我們想象中更加有限，”他說(shuō)。“學(xué)習需要忘記。大腦可能不情愿放棄它已經(jīng)學(xué)會(huì )了的事情。“