目标空间构型决定感觉运动适应的学习机制与表征形成

《npj Science of Learning》：Target configuration determines how and what we learn during sensorimotor adaptation

本研究针对运动适应中训练情境（特别是目标配置）如何影响内隐与外显学习过程这一关键问题展开。研究人员通过两个实验，比较了"幅度组"（同一方向不同幅度）和"角度组"（同一幅度不同方向）在视觉运动增益扰动下的适应模式。结果发现，幅度训练促进外显策略和增益表征，而角度训练偏好内隐学习和平移表征，揭示了训练情境不仅决定"如何学习"，还影响"学习什么"的重要机制。

　　

当我们使用一个新的电脑鼠标时，往往会发现光标移动与手腕动作不匹配——这就是典型的视觉运动增益（visuomotor gain）变化场景。幸运的是，人类大脑具有强大的感觉运动适应（sensorimotor adaptation）能力，能够快速校准动作以保持操作的精确性。然而，在这种适应过程中，训练环境的具体特征——特别是目标靶点的空间排列方式——是否会影响我们的学习机制和最终获得的知识表征，一直是运动学习领域悬而未决的问题。

传统研究将运动适应分为内隐（implicit）和外显（explicit）两个系统：内隐学习是自动、无意识的调整过程，其标志是扰动移除后的后效（aftereffects）；而外显策略则是受意识控制的灵活调整，可根据指令随意启用或放弃。尽管这两个系统的特性已得到较多研究，但训练情境如何影响它们之间的平衡，以及不同目标配置会促使学习者形成何种问题表征，仍然未知。

来自巴塞罗那大学和卡内基梅隆大学的研究团队在《npj Science of Learning》上发表的最新研究，通过精巧的实验设计揭示了目标空间构型对学习过程和表征形成的决定性影响。研究人员设计了两组不同的训练情境：幅度组（Extent Group）在单一方向上训练两个不同距离的目标，而角度组（Angular Group）在相同距离上训练两个不同方向的目标。两组共享一个训练靶点，确保了比较的公平性。

研究采用视觉运动增益扰动任务，参与者需要调整手臂运动幅度以使光标命中目标。实验1使用1.3倍增益（需要缩短运动），实验2使用0.7倍增益（需要延长运动），通过对比无反馈条件下的泛化表现和指令操纵（启用或放弃重新瞄准策略）来分离内隐和外显学习的贡献。

关键技术方法包括：视觉运动增益扰动范式（1.3x和0.7x）、目标导向的伸手任务、基于指令的内隐/外显学习分离技术、线性混合效应模型统计分析和多解决方案拟合比较。实验共招募89名参与者（实验1：42人，实验2：47人），使用图形数位板和半镀银镜子装置记录手臂运动轨迹。

实验1：幅度训练导致较少内隐适应和较多外显重新瞄准

在共享目标上，两组都表现出快速适应，但学习过程存在显著差异。角度组主要依赖内隐学习（占总适应的92%），而幅度组则更多使用外显策略（占35%）。这一发现首次证实了目标构型能够调节内隐与外显过程的相对参与程度。

幅度训练促进对新幅度的泛化，而角度训练促进对新方向的泛化

在泛化测试中，研究人员发现了训练特异性泛化模式：幅度训练组能更好地将学习成果迁移到新距离的目标，而角度训练组则在新方向目标上表现更优。这表明不同的训练情境促使学习者形成了不同的空间泛化模式。

幅度训练反映增益表征，而角度训练不明确

在表征分析中，幅度训练组的行为数据最符合增益表征（gain-based representation），即学习者准确掌握了视觉反馈与手部运动之间的乘性关系。然而，角度训练组在实验1中未显示出明确的表征模式，可能是由于增益和平移（translation）解决方案在运动幅度上过于接近，难以区分。

实验2：复制幅度训练产生较少内隐适应和较多外显重新瞄准

为克服实验1的局限性，实验2使用0.7倍增益，扩大了不同解决方案的预测分离度。结果成功复制了实验1的主要发现：幅度训练组继续表现出较少内隐学习和较多外显策略使用。

幅度训练促进基于增益的学习，而角度训练促进基于平移的表征

实验2提供了更清晰的表征证据：幅度训练组准确获得了增益表征，而角度训练组则采用了平移表征（translation-based representation），即学习者应用固定加性偏移来补偿扰动，而非掌握真正的乘性关系。

研究结论表明，训练情境——特别是目标的空间布局——同时决定了人们"如何学习"（学习过程平衡）和"学习什么"（知识表征内容）。幅度训练通过简化策略形成和运动执行，促进外显策略和准确的增益表征；而角度训练因增加认知负荷和运动计划不确定性，阻碍有效外显策略形成，增强对内隐系统的依赖，并促使学习者采用更简单的平移表征。

这一发现对运动学习理论具有重要意义：首先，它扩展了我们对情境依赖性学习的理解，表明目标构型是调节学习过程的关键因素；其次，它揭示了内隐与外显系统之间的竞争关系，以及这种竞争如何受训练情境影响；最后，它提出了"默认简单原则"——在模糊情境下，学习者倾向于采用简单的加性规则，除非训练数据明确支持更复杂的乘性规则。

研究结果在教育学和康复医学中具有应用价值。例如，在运动技能训练或神经康复中，通过精心设计训练目标的空间布局，可以优化学习过程的效果和效率。对于需要精确幅度控制的任务（如外科手术训练），幅度训练可能更有效；而对于需要灵活方向适应的任务（如体育训练），角度训练可能更优。

该研究深化了我们对感觉运动适应机制的理解，为设计个性化训练方案提供了理论依据。未来研究可进一步探讨目标构型影响学习系统的神经机制，以及这种影响在不同人群（如儿童、老年人或神经疾病患者）中的表现差异。