腦波同步有助於快速學習

最新 01-11

人在切換想法的時候,大腦可以迅速吸收並分析新信息。麻省理工學院神經科學家的一項新研究表明，這種快速變換的大腦狀態可能是通過不同腦區同步編碼實現的。

研究人員發現猴子在學習分類由圓點組成的不同圖案時，大腦中涉及學習的兩個區域——前額葉皮質（prefrontal cortex）與紋狀體（striatum）同步彼此的腦波，形成了新的通信迴路（communication circuits）。

麻省理工神經科學皮考爾教授（Picower Professor of Neuroscience）、本文資深作者厄爾·米勒（Earl Miller）在《神經元》（Neuron）雜誌上發表論文：「研究發現了前額葉皮質與紋狀體在大腦進行學習時相互作用的直接證據，這是前所未有的。分類學習使得這兩個區域之間產生了新的節奏型功能迴路，發現這個迴路的形成意義重大，因為這在系統神經科學（Systems Neuroscience）領域是一個相對較新的概念。」

大腦中有上百億個神經元，每個神經元都能產生獨特的電子信號。這些電子信號組合在一起形成波動，就是所謂的腦電波。研究人員使用腦電圖（Electroencephalography, EEG）測量腦電波，關注負責執行控制任務的前額葉皮質和控制習慣形成的紋狀體的EEG模式。

米勒認為，腦電波同步現象可能先於神經元突觸改變現象或神經元連接現象。這兩種現象被認為是學習和長期記憶的基礎，但是通常被稱為「突觸可塑性（synaptic plasticity）」的這兩個過程耗費的時間很長，無法用於解釋人類大腦的靈活性。

「人類在快速變換想法的時候，不可能實時在大腦中建立新連接然後再將其斷開。因為突觸重塑所需要的時間遠長於建立並斷開連接的時間，」麻省理工學院皮考爾學習和記憶研究所（Picower Institute for Learning and Memory）學者米勒說，「大腦一定是用了什麼其他的方法動態地建立了產生此刻想法的迴路，如果想法改變，該迴路能夠以某種方法斷開。我們目前認為腦波同步可能是大腦完成上述過程的方法。」

一唱一和

米勒之前的研究表明，大腦在學習分類時，紋狀體內的神經元最先被激活，之後前額葉皮質中的神經元也被慢慢激活。「紋狀體學習簡單事物的速度非常快，其學習結果訓練前額葉皮質去學習更複雜的事物」，米勒說：「這就好像是在玩拼圖，紋狀體學會識別每一小塊拼圖，前額葉皮質負責完成拼圖。」

在新研究中，研究人員想要探索活動模式是否真的會對前額葉皮質（Prefrontal cortex）和紋狀體之間的通信產生影響，或者說這兩個區域是否彼此獨立。所以，研究人員在猴子將不同圓點圖案分成兩類時，測量了其大腦兩個區域的EEG信號。

實驗之初，研究人員讓猴子觀察兩種不同的圓點圖案，也就是實驗中的「樣本」。每一輪實驗結束後，樣本數量翻倍。最開始，猴子能夠輕鬆記住哪個樣本屬於哪個類別，然而當實驗樣本數量很大，猴子無法記住所有樣本的時候，它們則開始學習總結每類圓點圖案的特點。

實驗最後，猴子能夠正確分類256個樣本。

猴子的學習方式從死記硬背轉換為研究類別特徵時，研究人員在EEG信號中觀測到了相應了的轉換。前額葉皮質和紋狀體中分別產生的β波開始同步。米勒說：「這表示兩個區域之間正在形成通信迴路。」

「未知機制致使腦波同步模式形成，之後大腦區域之間的迴路開始一唱一和起來，」他說：「迴路之間的同步可能會為大腦的長期可塑性改變打下基礎，使真正的迴路得以形成。這一切都是從腦波的一唱一和開始的。」

實驗進行一段時間之後，猴子完全學會了分類，它們大腦中紋狀體和前額葉皮質之間出現了兩個獨立的迴路，分別對應兩類圓點圖形。

「這是第一篇為前額皮層與紋狀體之間β波段的同步可能在分類能力中起關鍵性作用的觀點提供數據的文章。除了揭示類別學習中的新機制外，這些結果還有助於更好地理解大腦中同步的β波段的波動意義。」德國漢堡-埃普多夫中心醫科大學（University Medical Center Hamburg-Eppendorf）生理學教授安德烈亞斯?恩格爾（Andreas Engel）指出。

拓展知識

以往研究發現，大腦在執行認知需求任務時，前腦皮層與視覺皮質的同步增強。但是米勒的實驗室第一次揭示了特定腦電波同步與特定想法有關。

米勒與安索拉托斯指出，前額葉皮質學習各個類別，然後將類別信息發送給紋狀體，前額葉皮質會隨著新信息的增加進行自我修正，讓學習內容更加全面。整個過程會不斷重複。