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(shí)別出病灶的位置，出色的乒乓球運(yùn)動(dòng)員可以在乒乓球高速飛行的過(guò)程中就辨別出乒乓球旋轉(zhuǎn)的方向和速度。面對(duì)非常細(xì)微、轉(zhuǎn)瞬即逝的視覺(jué)特征，這些”最強(qiáng)大腦“的非凡感知能力，往往并非天賦異稟，而是來(lái)自于每個(gè)人都擁有的神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性。通過(guò)訓(xùn)練而實(shí)現(xiàn)的感知覺(jué)能力的提升，被稱為”知覺(jué)學(xué)習(xí)“。
知覺(jué)學(xué)習(xí)的研究已有數(shù)十年的歷史，對(duì)于視、聽(tīng)、觸覺(jué)這些對(duì)于生物生存基本且保守的感覺(jué)功能，知覺(jué)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(jí)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(lái)一直關(guān)注知覺(jué)學(xué)習(xí)這一課題，一方面從原理解析的角度，探索感知覺(jué)能力提升背后的神經(jīng)加工機(jī)制，一方面從神經(jīng)調(diào)控的角度，探索增強(qiáng)知覺(jué)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(jì)算機(jī)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(yùn)用功能磁共振腦成像與心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，首次揭示了社會(huì)情境對(duì)于視覺(jué)知覺(jué)學(xué)習(xí)的促進(jìn)作用以及相關(guān)的神經(jīng)加工機(jī)制。美國(guó)布朗大學(xué)Luke Rosedahl博士和Takeo Watanabe教授為本研究專門撰寫(xiě)了推薦文章“Perceptual Learning: Training together makes us better”，稱本研究為理解知覺(jué)學(xué)習(xí)做出了令人興奮的、嶄新的貢獻(xiàn)，并擴(kuò)展了知覺(jué)學(xué)習(xí)研究的版圖。
知覺(jué)學(xué)習(xí)過(guò)程中感知覺(jué)能力的提升，起初被認(rèn)為只與感知覺(jué)加工相關(guān)的腦區(qū)或神經(jīng)活動(dòng)相關(guān)，證據(jù)是受訓(xùn)提高的感知覺(jué)能力對(duì)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(huì)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(jué)系統(tǒng)雖然基礎(chǔ)且保守，但并非一座孤島，感知覺(jué)神經(jīng)活動(dòng)的變化，同樣也受到注意網(wǎng)絡(luò)、獎(jiǎng)賞系統(tǒng)的調(diào)控，當(dāng)研究者操縱受試者在知覺(jué)訓(xùn)練過(guò)程中的注意力，或改變訓(xùn)練過(guò)程中的反饋或獎(jiǎng)勵(lì)，都有可能干預(yù)知覺(jué)學(xué)習(xí)的過(guò)程，帶來(lái)截然不同的學(xué)習(xí)效果。
每個(gè)個(gè)體也同樣不是一座孤島，人類是社會(huì)性的動(dòng)物，在漫長(zhǎng)的歷史過(guò)程中，人類的大腦與族群不斷協(xié)同演化，幫助個(gè)體和族群更好地適應(yīng)環(huán)境。那么人類與生俱來(lái)的社會(huì)性，是否會(huì)調(diào)控基礎(chǔ)的感知覺(jué)功能呢？在既往的知覺(jué)學(xué)習(xí)研究當(dāng)中，受試者往往是單獨(dú)進(jìn)行訓(xùn)練，因而忽略了在日常生活中普遍存在的社會(huì)情境對(duì)于學(xué)習(xí)的影響。在最新發(fā)表的研究中，方方研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一種創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)范式，讓兩名受試者同時(shí)進(jìn)行基礎(chǔ)視覺(jué)任務(wù)的訓(xùn)練，并可以通過(guò)訓(xùn)練程序的反饋，了解到同伴實(shí)時(shí)的表現(xiàn)情況。通過(guò)與單獨(dú)訓(xùn)練的單人訓(xùn)練組進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在社會(huì)情境下訓(xùn)練的雙人學(xué)習(xí)組，無(wú)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(duì)雙人組受試者進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試時(shí)，感知覺(jué)的提升也能得到保留。這一結(jié)果證明了感知覺(jué)加工，如同其他很多高級(jí)認(rèn)知過(guò)程一樣，也可以受到社會(huì)情境的影響和增強(qiáng)。
進(jìn)一步地，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)知覺(jué)學(xué)習(xí)的提升效果，和學(xué)習(xí)搭檔的能力有著很強(qiáng)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(huì)更好。在文章的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)操縱了學(xué)習(xí)搭檔的能力，設(shè)置了提前經(jīng)過(guò)一段時(shí)間訓(xùn)練，任務(wù)表現(xiàn)更好的“強(qiáng)搭檔” ，和在訓(xùn)練過(guò)程中被偷偷增加實(shí)驗(yàn)任務(wù)難度，任務(wù)表現(xiàn)更差的“弱搭檔”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示和”強(qiáng)搭檔“一同訓(xùn)練，知覺(jué)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(duì)，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(wú)異。這一結(jié)果提示不同的搭檔會(huì)帶來(lái)不同的社會(huì)情境，引發(fā)不同類型的社會(huì)比較，從而影響知覺(jué)學(xué)習(xí)的過(guò)程。向上比較會(huì)進(jìn)一步刺激受試者在知覺(jué)任務(wù)中實(shí)現(xiàn)更大的提升，而向下比較則會(huì)讓受試者滿足于現(xiàn)狀，停滯不前。
圖1 雙人知覺(jué)學(xué)習(xí)范式示意圖（左上），兩名受試者共同完成知覺(jué)訓(xùn)練任務(wù)。視覺(jué)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(gè)黑白條紋之間細(xì)微的朝向角度變化。行為實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖，雙人學(xué)習(xí)能夠更有效地促進(jìn)知覺(jué)學(xué)習(xí)的效果，帶來(lái)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(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)利用功能磁共振腦成像，探究了雙人知覺(jué)學(xué)習(xí)背后的神經(jīng)加工機(jī)制，通過(guò)對(duì)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(guò)雙人訓(xùn)練后，與單人訓(xùn)練相比，初級(jí)視皮層V1和外側(cè)枕葉LO對(duì)視覺(jué)特征的辨別能力都有進(jìn)一步顯著，反映了社會(huì)情境對(duì)于知覺(jué)的影響可以發(fā)生在非常早期的階段。而通過(guò)在訓(xùn)練過(guò)程中對(duì)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(huì)認(rèn)知密切相關(guān)的腦區(qū)，會(huì)在兩種訓(xùn)練之間表現(xiàn)出不同的活動(dòng)模式，并在雙人訓(xùn)練過(guò)程中表現(xiàn)出與視覺(jué)皮層更強(qiáng)的功能連接。這些結(jié)果顯示與社會(huì)認(rèn)知相關(guān)的腦區(qū)會(huì)參與到知覺(jué)學(xué)習(xí)的過(guò)程當(dāng)中，并提示高級(jí)腦區(qū)與感覺(jué)皮層的互動(dòng)，會(huì)影響初級(jí)感覺(jué)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(jī)制。雙人學(xué)習(xí)能夠顯著提升初級(jí)視皮層和外側(cè)枕葉對(duì)于朝向的神經(jīng)解碼正確率（上圖），雙人學(xué)習(xí)過(guò)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(qiáng)（下圖）。
本研究是方方課題組近年來(lái)知覺(jué)學(xué)習(xí)系列研究中的重要一環(huán)，對(duì)于探明知覺(jué)學(xué)習(xí)的神經(jīng)機(jī)制和開(kāi)發(fā)增強(qiáng)知覺(jué)學(xué)習(xí)的方法兩方面均有貢獻(xiàn)。一方面，通過(guò)創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)大膽地探索了高級(jí)社會(huì)認(rèn)知功能對(duì)于初級(jí)視覺(jué)知覺(jué)學(xué)習(xí)的影響，提示以一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的視角研究真實(shí)世界學(xué)習(xí)或神經(jīng)可塑性的必要性；另一方面，通過(guò)探索增強(qiáng)知覺(jué)學(xué)習(xí)的方法，為后續(xù)認(rèn)知增強(qiáng)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(huì)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(jiàn)這種方法會(huì)有更小的安全風(fēng)險(xiǎn)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(xiàng)研究，并做出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到了北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、國(guó)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(xiàng)目的資助。
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2023-06-20