面對(duì)屏幕，只需1.5秒，短暫調(diào)整大腦節(jié)律，就能提高學(xué)習(xí)速度

作者|王聰 來(lái)源|生物世界(ID：ibioworld)

解讀在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中遇到的大量信息對(duì)我們的感官系統(tǒng)提出了很高的要求。眾所周知，訓(xùn)練可以提高我們做出感知判斷的能力，這個(gè)過(guò)程被稱為感知學(xué)習(xí)。然而，在做出感知決策時(shí)，個(gè)體在考慮以往經(jīng)驗(yàn)的能力上存在著顯著差異。

最近的研究表明，行為表現(xiàn)的個(gè)體差異可能與大腦狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化有關(guān)，也就是說(shuō)，大腦皮層興奮性隨時(shí)間波動(dòng)。然而，我們對(duì)大腦狀態(tài)的理解仍然有限，這種狀態(tài)是個(gè)體之間以及同一個(gè)體在不同環(huán)境下學(xué)習(xí)能力差異的基礎(chǔ)。

訓(xùn)練可以提高我們?cè)趶?fù)雜環(huán)境中互動(dòng)時(shí)的決策能力。然而，每個(gè)人在不同的環(huán)境中學(xué)習(xí)新任務(wù)和獲得新技能的能力是不同的。那么，如何訓(xùn)練才能提高這種能力呢？

近日，英國(guó)劍橋大學(xué)的研究人員在 Cerebral Cortex 期刊發(fā)表了題為：Learning at your brain's rhythm: individualized entrainment boosts learning for perceptual decisions 的研究論文。

該研究首次證明，在一個(gè)人執(zhí)行學(xué)習(xí)任務(wù)之前，短暫地調(diào)整一下他們的腦電波周期，可以極大地提高認(rèn)知能力的提升速度。

研究團(tuán)隊(duì)表示，根據(jù)大腦的自然節(jié)律來(lái)調(diào)整信息傳遞的速度，可以提高我們吸收和適應(yīng)新信息的能力。這些技術(shù)可以幫助我們?cè)谝院蟮纳钪斜３?ldquo;神經(jīng)可塑性”，并促進(jìn)終身學(xué)習(xí)。

論文通訊作者 Zoe Kourtzi 教授表示，每個(gè)大腦都有自己的自然節(jié)律，這是由神經(jīng)元共同工作時(shí)產(chǎn)生的振蕩。這項(xiàng)研究模擬了大腦神經(jīng)元震蕩產(chǎn)生的自然節(jié)律的波動(dòng)，這樣大腦就能自我協(xié)調(diào)，并處于最佳狀態(tài)。我們大腦的可塑性是一種重組和學(xué)習(xí)新事物的能力，它不斷地建立在先前神經(jīng)元相互作用的模式上。通過(guò)控制腦電波節(jié)律，有可能提高從嬰兒到成年的整個(gè)生命周期的靈活性學(xué)習(xí)。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)使用腦電圖（EGG）傳感器連接在頭部來(lái)測(cè)量80名研究參與者的腦電活動(dòng)，并對(duì)他們的腦電波節(jié)律進(jìn)行采樣。研究團(tuán)隊(duì)采集了阿爾法波讀數(shù)。作為腦電波頻譜的中頻，當(dāng)我們清醒和放松時(shí)，阿爾法波往往占主導(dǎo)地位。阿爾法波在8-12赫茲之間振蕩：每85-125毫秒是一個(gè)完整的周期。然而，在這個(gè)范圍內(nèi)，每個(gè)人都有自己的峰值頻率。

該研究中使用的腦電電極帽，圖片來(lái)自劍橋大學(xué)

研究團(tuán)隊(duì)利用從這些參與者中采集的阿爾法波讀數(shù)創(chuàng)造了一種光學(xué)“脈沖”：一個(gè)白色方形屏幕在黑暗背景上閃爍，與每個(gè)人獨(dú)特的阿爾法波節(jié)律相同。

參與者接受1.5秒的個(gè)性化脈沖信號(hào)，以誘導(dǎo)他們的大腦以自然節(jié)律工作，然后他們接受一項(xiàng)棘手的快速認(rèn)知任務(wù)：嘗試在一連串視覺混亂中識(shí)別特定的形狀。

腦電波周期由波峰和波谷組成。一些參與者接收到的脈沖與他們的腦電波的波峰相匹配，一些接收到的脈沖與他們的腦電波波谷相匹配，而另一些接收到的脈沖要么是隨機(jī)的，要么是錯(cuò)誤的（稍微快一點(diǎn)或慢一點(diǎn)）。每個(gè)參與者重復(fù)了800多個(gè)不同的認(rèn)知任務(wù)，然后測(cè)量他們的認(rèn)知能力提高速度。

那些接受了正確的脈沖節(jié)律的人的學(xué)習(xí)速度至少比其他所有組快三倍，而且，他們?cè)诘诙旖邮芰硪惠唽W(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)，依然能夠保持更高水平的表現(xiàn)。

該論文的第一作者 Elizabeth Michael 博士表示，很興奮能夠發(fā)現(xiàn)這種令人印象深刻的學(xué)習(xí)能力提升所需的特定條件。整個(gè)干預(yù)過(guò)程本身非常簡(jiǎn)單，只需要在屏幕上進(jìn)行一個(gè)短暫的閃爍，但當(dāng)我們達(dá)到正確的頻率加上正確的相位對(duì)齊時(shí)，似乎就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大而持久的效果。

重要的是，夾帶脈沖（entrainment pulses）需要與腦電波的波谷同步，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這是一個(gè)腦電波周期中神經(jīng)元處于“高接受性”狀態(tài)的點(diǎn)。通過(guò)將信息傳遞與腦電波的最佳階段相匹配，就可以最大限度地捕獲信息，因?yàn)榇藭r(shí)我們的神經(jīng)元高度興奮。

該論文的共同通訊作者Victoria Leong 實(shí)驗(yàn)室之前的研究表明，當(dāng)母親和嬰兒交流時(shí)，他們的腦電波會(huì)同步。Victoria Leong 認(rèn)為，這項(xiàng)最新研究中的機(jī)制非常有效，因?yàn)樗从沉宋覀儖雰簳r(shí)期的學(xué)習(xí)方式。利用這種機(jī)制，使我們的大腦能夠與環(huán)境中的短暫刺激保持一致，特別是在父母和嬰兒互動(dòng)過(guò)程中的語(yǔ)言、凝視和手勢(shì)等交流信息。當(dāng)大人對(duì)兒童說(shuō)話時(shí)，他們采用的是兒童導(dǎo)向語(yǔ)言——一種緩慢而夸張的說(shuō)話方式。這項(xiàng)研究表明，兒童導(dǎo)向語(yǔ)言可能是一種自發(fā)的速度匹配方式，并引導(dǎo)兒童較慢的腦電波來(lái)支持學(xué)習(xí)。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為說(shuō)，雖然這項(xiàng)研究測(cè)試的是視覺感知，但這些機(jī)制可能是通用的，適用于廣泛的任務(wù)和情況，包括聽覺學(xué)習(xí)。他們認(rèn)為腦電波夾帶（生理過(guò)程對(duì)來(lái)自環(huán)境的節(jié)律性刺激做出反應(yīng)并適應(yīng)性地與其節(jié)律頻率同步的趨勢(shì)）的潛在應(yīng)用可能聽起來(lái)像科幻小說(shuō)里的東西，但現(xiàn)在越來(lái)越可能實(shí)現(xiàn)。

論文通訊作者 Zoe Kourtzi 教授表示，雖然這項(xiàng)研究使用了復(fù)雜的腦電圖儀器，但現(xiàn)在已經(jīng)有了簡(jiǎn)單的頭戴式系統(tǒng)，可以很容易地測(cè)量大腦頻率?，F(xiàn)在的孩子們經(jīng)常通過(guò)屏幕來(lái)學(xué)習(xí)東西，可以想象，對(duì)于那些可能由于注意力缺陷而在普通教室里學(xué)習(xí)困難的孩子來(lái)說(shuō)，可以使用腦電波節(jié)律來(lái)提高他們的學(xué)習(xí)能力。

腦電波夾帶在促進(jìn)學(xué)習(xí)方面的其他早期應(yīng)用可能涉及對(duì)快速學(xué)習(xí)和快速?zèng)Q策至關(guān)重要的職業(yè)培訓(xùn)，如飛行員或外科醫(yī)生。虛擬現(xiàn)實(shí)模擬現(xiàn)在是許多職業(yè)培訓(xùn)的有效組成部分，在這些虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)與腦電波同步的脈沖可以給新學(xué)習(xí)者帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，或者幫助他們進(jìn)行后續(xù)再培訓(xùn)。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/cercor/bhac426

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)：生物世界(ID：ibioworld)，作者：王聰