專業(yè)的影像科醫(yī)生可以在復(fù)雜的X光片中準(zhǔn)確識別出病灶的位置，出色的乒乓球運動員可以在乒乓球高速飛行的過程中就辨別出乒乓球旋轉(zhuǎn)的方向和速度。面對非常細微、轉(zhuǎn)瞬即逝的視覺特征，這些”最強大腦“的非凡感知能力，往往并非天賦異稟，而是來自于每個人都擁有的神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性。通過訓(xùn)練而實現(xiàn)的感知覺能力的提升，被稱為”知覺學(xué)習(xí)“。
知覺學(xué)習(xí)的研究已有數(shù)十年的歷史，對于視、聽、觸覺這些對于生物生存基本且保守的感覺功能，知覺學(xué)習(xí)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)反映了神經(jīng)系統(tǒng)巨大的靈活性，讓我們看到了神經(jīng)損傷后認(rèn)知能力恢復(fù)以及特種人員的超級能力的訓(xùn)練的希望。北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院、IDG麥戈文腦科學(xué)研究所、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心方方課題組近年來一直關(guān)注知覺學(xué)習(xí)這一課題，一方面從原理解析的角度，探索感知覺能力提升背后的神經(jīng)加工機制，一方面從神經(jīng)調(diào)控的角度，探索增強知覺學(xué)習(xí)效果的創(chuàng)新方法，取得了一系列成果。
2023年6月19日，方方課題組與北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院李健研究員課題組、北京大學(xué)計算機學(xué)院王亦洲教授課題組合作，在《Current Biology》發(fā)表題為“Dyadic visual perceptual learning on orientation discrimination”的研究論文，運用功能磁共振腦成像與心理物理學(xué)實驗，首次揭示了社會情境對于視覺知覺學(xué)習(xí)的促進作用以及相關(guān)的神經(jīng)加工機制。美國布朗大學(xué)Luke Rosedahl博士和Takeo Watanabe教授為本研究專門撰寫了推薦文章“Perceptual Learning: Training together makes us better”，稱本研究為理解知覺學(xué)習(xí)做出了令人興奮的、嶄新的貢獻，并擴展了知覺學(xué)習(xí)研究的版圖。
知覺學(xué)習(xí)過程中感知覺能力的提升，起初被認(rèn)為只與感知覺加工相關(guān)的腦區(qū)或神經(jīng)活動相關(guān)，證據(jù)是受訓(xùn)提高的感知覺能力對于訓(xùn)練任務(wù)有著很大的特異性，訓(xùn)練左眼判斷條紋的朝向變得更加敏銳了，但換到右眼，表現(xiàn)的提升則會比較有限，改變只是發(fā)生在”基層“的單眼神經(jīng)元。但是隨著研究證據(jù)的積累，研究者逐漸發(fā)現(xiàn)感知覺系統(tǒng)雖然基礎(chǔ)且保守，但并非一座孤島，感知覺神經(jīng)活動的變化，同樣也受到注意網(wǎng)絡(luò)、獎賞系統(tǒng)的調(diào)控，當(dāng)研究者操縱受試者在知覺訓(xùn)練過程中的注意力，或改變訓(xùn)練過程中的反饋或獎勵，都有可能干預(yù)知覺學(xué)習(xí)的過程，帶來截然不同的學(xué)習(xí)效果。
每個個體也同樣不是一座孤島，人類是社會性的動物，在漫長的歷史過程中，人類的大腦與族群不斷協(xié)同演化，幫助個體和族群更好地適應(yīng)環(huán)境。那么人類與生俱來的社會性，是否會調(diào)控基礎(chǔ)的感知覺功能呢？在既往的知覺學(xué)習(xí)研究當(dāng)中，受試者往往是單獨進行訓(xùn)練，因而忽略了在日常生活中普遍存在的社會情境對于學(xué)習(xí)的影響。在最新發(fā)表的研究中，方方研究團隊通過一種創(chuàng)新的實驗范式，讓兩名受試者同時進行基礎(chǔ)視覺任務(wù)的訓(xùn)練，并可以通過訓(xùn)練程序的反饋，了解到同伴實時的表現(xiàn)情況。通過與單獨訓(xùn)練的單人訓(xùn)練組進行比較，實驗結(jié)果顯示在社會情境下訓(xùn)練的雙人學(xué)習(xí)組，無論是提高的總量，還是學(xué)習(xí)的速率，都表現(xiàn)出了顯著的提升。特別地，當(dāng)為期六天的雙人訓(xùn)練結(jié)束后，對雙人組受試者進行單獨測試時，感知覺的提升也能得到保留。這一結(jié)果證明了感知覺加工，如同其他很多高級認(rèn)知過程一樣，也可以受到社會情境的影響和增強。
進一步地，實驗發(fā)現(xiàn)知覺學(xué)習(xí)的提升效果，和學(xué)習(xí)搭檔的能力有著很強的關(guān)系，和表現(xiàn)更好的搭檔一同訓(xùn)練，往往提升的效果也會更好。在文章的第二個實驗中，研究團隊操縱了學(xué)習(xí)搭檔的能力，設(shè)置了提前經(jīng)過一段時間訓(xùn)練，任務(wù)表現(xiàn)更好的“強搭檔” ，和在訓(xùn)練過程中被偷偷增加實驗任務(wù)難度，任務(wù)表現(xiàn)更差的“弱搭檔”。實驗結(jié)果顯示和”強搭檔“一同訓(xùn)練，知覺學(xué)習(xí)的速率和總量都得到了更大的提升，而和”弱搭檔“配對，則僅僅在訓(xùn)練之初表現(xiàn)出了學(xué)習(xí)速率的提升，當(dāng)訓(xùn)練趨于尾聲，任務(wù)表現(xiàn)的提升都相較于單人學(xué)習(xí)無異。這一結(jié)果提示不同的搭檔會帶來不同的社會情境，引發(fā)不同類型的社會比較，從而影響知覺學(xué)習(xí)的過程。向上比較會進一步刺激受試者在知覺任務(wù)中實現(xiàn)更大的提升，而向下比較則會讓受試者滿足于現(xiàn)狀，停滯不前。
圖1 雙人知覺學(xué)習(xí)范式示意圖（左上），兩名受試者共同完成知覺訓(xùn)練任務(wù)。視覺訓(xùn)練任務(wù)示意圖（右上），受試者被要求判斷相繼出現(xiàn)的兩個黑白條紋之間細微的朝向角度變化。行為實驗結(jié)果示意圖，雙人學(xué)習(xí)能夠更有效地促進知覺學(xué)習(xí)的效果，帶來更大的表現(xiàn)提升（左下），以及更快的學(xué)習(xí)速率（右下）。
在第三個實驗中，研究團隊利用功能磁共振腦成像，探究了雙人知覺學(xué)習(xí)背后的神經(jīng)加工機制，通過對訓(xùn)練前和訓(xùn)練后受試者大腦的掃描和分析，結(jié)果顯示，經(jīng)過雙人訓(xùn)練后，與單人訓(xùn)練相比，初級視皮層V1和外側(cè)枕葉LO對視覺特征的辨別能力都有進一步顯著，反映了社會情境對于知覺的影響可以發(fā)生在非常早期的階段。而通過在訓(xùn)練過程中對單人訓(xùn)練和雙人訓(xùn)練的比較，研究發(fā)現(xiàn)頂葉和背外側(cè)前額葉這些與社會認(rèn)知密切相關(guān)的腦區(qū)，會在兩種訓(xùn)練之間表現(xiàn)出不同的活動模式，并在雙人訓(xùn)練過程中表現(xiàn)出與視覺皮層更強的功能連接。這些結(jié)果顯示與社會認(rèn)知相關(guān)的腦區(qū)會參與到知覺學(xué)習(xí)的過程當(dāng)中，并提示高級腦區(qū)與感覺皮層的互動，會影響初級感覺皮層的可塑性變化。
圖2 利用功能磁共振腦成像探究雙人學(xué)習(xí)的神經(jīng)加工機制。雙人學(xué)習(xí)能夠顯著提升初級視皮層和外側(cè)枕葉對于朝向的神經(jīng)解碼正確率（上圖），雙人學(xué)習(xí)過程中，頂葉與背外側(cè)前額葉與早期視皮層的功能連接顯著增強（下圖）。
本研究是方方課題組近年來知覺學(xué)習(xí)系列研究中的重要一環(huán)，對于探明知覺學(xué)習(xí)的神經(jīng)機制和開發(fā)增強知覺學(xué)習(xí)的方法兩方面均有貢獻。一方面，通過創(chuàng)新的實驗設(shè)計，研究團隊大膽地探索了高級社會認(rèn)知功能對于初級視覺知覺學(xué)習(xí)的影響，提示以一個復(fù)雜系統(tǒng)的視角研究真實世界學(xué)習(xí)或神經(jīng)可塑性的必要性；另一方面，通過探索增強知覺學(xué)習(xí)的方法，為后續(xù)認(rèn)知增強或康復(fù)研究提供了一種新思路，借助人類自身的神經(jīng)環(huán)路和社會心理屬性，可以直接提升行為訓(xùn)練的效果。相比于外加的電磁神經(jīng)調(diào)控方式或者藥物調(diào)控方式，可以預(yù)見這種方法會有更小的安全風(fēng)險和更高的耐受性和接受度。
方方課題組已畢業(yè)博士生張翼飛為本文第一作者，方方教授為本文通訊作者，課題組博士生畢可言與了本項研究，并做出了重要貢獻。該研究得到了北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、國家自然科學(xué)基金委、科技部科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目的資助。
參考文獻
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2023-06-20