霍普金斯大學(xué)的研究人員首次揭示了動(dòng)物犯錯時(shí)大腦中發(fā)生的情況，揭開(kāi)了神經(jīng)科學(xué)這一“圣杯”的奧秘：我們是如何學(xué)習的。

研究團隊通過(guò)觀(guān)察個(gè)體神經(jīng)元的活動(dòng)，明確了小鼠學(xué)習新技能的確切時(shí)刻，證實(shí)了早期研究的結論，即動(dòng)物是快速學(xué)習者，并會(huì )故意試探新知識的邊界。

這一由政府資助的研究顛覆了關(guān)于學(xué)習速度和感官皮層作用的傳統假設，研究人員相信這些發(fā)現適用于包括人類(lèi)在內的所有動(dòng)物種類(lèi)，相關(guān)成果已發(fā)表在《Nature》期刊上。

霍普金斯大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家 Kishore Kuchibhotla表示：“通過(guò)觀(guān)察小鼠大腦中的一個(gè)微小部分，我們能夠理解大腦如何學(xué)習，并對人類(lèi)大腦的運作提出預測。神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域在解碼運動(dòng)活動(dòng)，以及處理視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)方面取得了顯著(zhù)進(jìn)展。然而，這類(lèi)研究的‘圣杯’是思維——我們仍在探索聽(tīng)覺(jué)和行動(dòng)之間的過(guò)程，以及支配高級認知過(guò)程的腦活動(dòng)模式。這些發(fā)現是向這個(gè)目標邁出的一步。”

盡管快速學(xué)習的能力對野外動(dòng)物有益，但是在實(shí)驗室中，研究的動(dòng)物似乎學(xué)習得既慢又穩。比如，小鼠通常需要數千次嘗試才能掌握一項任務(wù)，即使是表現最好的小鼠也需要幾百次。

Kuchibhotla的實(shí)驗室之前發(fā)現，動(dòng)物的表現不一定與它們的知識直接相關(guān)——動(dòng)物可能知道的遠比它們在測試中所表現出來(lái)的要多。實(shí)驗室還發(fā)現，似乎是慢學(xué)習者的動(dòng)物可能是在測試它們的新知識。然而，僅通過(guò)觀(guān)察動(dòng)物在任務(wù)中的掙扎，研究人員無(wú)法準確區分慢學(xué)習者和有戰略性的測試者。

“我們對人類(lèi)和其他動(dòng)物可能對世界的了解感興趣，而這些了解它們選擇不表現出來(lái)，”Kuchibhotla說(shuō)道。“我們主要關(guān)注的問(wèn)題是，學(xué)習與表現之間的神經(jīng)基礎是什么。”

研究人員教小鼠在聽(tīng)到一個(gè)音調時(shí)舔舌頭，而在聽(tīng)到另一種聲音時(shí)則不舔。在訓練開(kāi)始之后，團隊記錄了小鼠聽(tīng)覺(jué)皮層中神經(jīng)元的活動(dòng)，這一大腦區域與聽(tīng)覺(jué)和感知相關(guān)。

研究帶來(lái)了兩個(gè)主要的驚喜。首先，小鼠在20到40次嘗試中就能學(xué)習，Kuchibhotla稱(chēng)這“異常迅速”。其次，這一學(xué)習活動(dòng)發(fā)生在感官皮層，而這一部分通常與非感官的大腦區域相關(guān)。

“這項研究表明，評估在學(xué)習過(guò)程的不同階段與不同條件下，大腦活動(dòng)如何影響行為是十分重要的，”第一作者、霍普金斯大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)博士后研究員Celine Drieu表示。“我們的結果顯示，感官皮層不僅僅處理感覺(jué)輸入；它在建立感覺(jué)線(xiàn)索與強化行為之間的關(guān)聯(lián)中也扮演著(zhù)重要角色。”

當小鼠在神經(jīng)活動(dòng)顯示它們已掌握任務(wù)后，仍繼續在錯誤的時(shí)機舔舌時(shí)，研究人員通過(guò)觀(guān)察大腦活動(dòng)確認小鼠知曉游戲規則——它們只是在進(jìn)行探索。

“我們能夠解碼錯誤背后的認知驅動(dòng)因素，”Kuchibhotla說(shuō)。“我們可以判斷動(dòng)物是在犯錯，還是只是想嘗試另一種選擇。”

一旦小鼠掌握了任務(wù)并停止了探索行為，這種高級活動(dòng)便開(kāi)始減弱，感官皮層不再參與任務(wù)。

他補充道：“我們認為這意味著(zhù)動(dòng)物的智能超出我們的想象，且與學(xué)習相關(guān)的大腦動(dòng)態(tài)是不同的。你可能知道某些事，但還有一個(gè)與如何使用知識相關(guān)的平行過(guò)程。大腦似乎被精心構造，能夠讓我們在執行和學(xué)習之間靈活切換，隨著(zhù)技能的提高而不斷優(yōu)化。”

雜志：Nature

DOI：10.1038/s41586-025-08730-8