走神可能是有益的——实际上可以帮助我们学得更快

　　

漫无目的地在城市里闲逛或探索新商场似乎毫无意义，但霍华德休斯医学研究所珍莉莉亚研究园区的最新研究表明，这可能在我们的大脑学习方式中发挥重要作用。

通过同时记录数万个神经元的活动，帕奇塔鲁和斯特林格实验室的科学家团队发现，即使没有特定的任务或目标，学习也可能发生。  

这项新研究发现，当动物探索周围环境时，视觉皮层（负责处理视觉信息的大脑区域）中的神经元会编码视觉特征，从而构建世界的内部模型。当更具体的任务出现时，这些信息可以加速学习。

Janelia 小组组长 Marius Pachitariu 表示：“即使当你走神或只是四处走动，或者你认为自己没有做什么特别或困难的事情时，你的大脑可能仍在努力帮助你记住你所在的位置，组织你周围的世界，这样当你不再走神时，当你真正需要做某事并集中注意力时，你就已经准备好做到最好了。”

观察无监督学习

由博士后林忠领导的团队设计了实验，让小鼠在线性虚拟现实走廊中奔跑，走廊中呈现各种视觉纹理，类似于真实世界的环境。有些纹理与奖励相关，有些则无关。在小鼠学会实验规则后，林忠进行了细微的调整，改变了纹理和奖励的呈现方式。   

经过数周的实验，研究小组观察到了动物视觉皮层神经活动的变化。然而，他们难以解释观察到的神经可塑性——即支持学习和记忆的神经元之间连接的变化。

“随着我们不断思考，最终我们开始思考这项任务本身是否必要，”帕奇塔留说。“很可能很多可塑性都发生在动物自身对环境的探索过程中。”

当研究人员明确测试无监督学习的概念时，他们发现即使动物没有接受任何任务训练，视觉皮层的某些区域也会编码视觉特征。当引入一项任务时，皮层的其他区域也会做出反应。

此外，研究人员发现，经过数周探索虚拟走廊的老鼠学会将纹理与奖励联系起来的速度比仅接受过该任务训练的老鼠要快得多。

“这意味着你并不总是需要老师来教你：你仍然可以在潜意识中了解周围的环境，这种学习可以为你的未来做好准备，”钟教授说道。“我非常惊讶。我从攻读博士学位以来就一直在做行为实验，从未想到不用训练老鼠完成任务就能发现同样的神经可塑性。”

了解大脑如何学习

新发现揭示了视觉皮层中不同区域负责不同类型的学习：非结构化、基于探索的无监督学习，以及指导性、目标导向的监督学习。新研究表明，当动物学习一项任务时，大脑可能同时使用两种算法——一种是无监督部分，用于提取特征；另一种是监督部分，用于赋予这些特征意义。

这些见解或许能增进我们对大脑学习机制的理解。此前对视觉皮层的研究主要集中在监督学习上，而这项新研究则开辟了新的探索方向，包括探索这些不同类型的学习如何相互作用，以及环境的视觉模型如何与来自其他大脑区域的空间模型整合。

“这是研究大脑中无监督学习算法的一扇门，如果这是大脑学习的主要方式，而不是更有指导性、目标导向的方式，那么我们也需要研究这一部分，”Pachitariu 说。

研究人员表示，这些见解得益于 Janelia 的支持团队和介观显微镜，前者帮助研究人员设计和运行实验，后者使团队能够同时记录多达 90,000 个神经元，从而增强了他们获得新发现的能力。

“允许单个实验室运行这种规模的项目是这里独一无二的，这使我们能够灵活地研究不同的问题，而不必制定具体的计划，”Pachitariu 说。