無人監督時的學習

想象一下，你第一次訪問一個外國城市——比如伊斯坦布林。你找到了地鐵站，茫然地站在售票機前。在弄清楚如何支付車費後，你穿過嘈雜的人群，尋找將你帶到酒店的火車。你小心翼翼地、斷斷續續地移動，方向多次改變。然而，在地鐵通勤幾天後，你就能輕鬆地穿梭於這個系統。僅僅透過體驗新環境，你就迅速掌握了它的複雜性。這種學習是如何實現的？事實是，神經科學家也不知道。

我們今天所知的學習理論仍然主要基於伊萬·巴甫洛夫和他聽到鈴聲就流口水的狗的百年實驗。他的理論已經產生了大量關於我們如何透過刺激和獎勵（或懲罰）的配對以及共同放電的神經元之間連線的加強來獲得行為的知識。這是我們對寵物以及在某種程度上對孩子進行的訓練，但它很少能解釋大多數人類的學習。事實上，無論是認識陌生人、適應新環境還是學習俚語，我們的大腦都在日常生活中不斷地、毫不費力地吸收大量資訊，而無需零食、讚揚或電擊來激勵我們。

直到最近，如果你問像我這樣的神經科學家這個過程是如何運作的，我們還會聳聳肩。但一些研究人員已經開始創新地使用技術，包括虛擬現實，來探索人類大腦在複雜、真實世界環境中的運作方式——這個過程被稱為無監督學習。正如我透過訪問幾個先鋒實驗室所瞭解到的，他們發現這種型別的認知不僅僅是建立連線區域性神經元的通路。相反，無監督學習調動了大腦的廣泛區域，並涉及到神經迴路處理資訊的整體變化。此外，透過研究我們學習時大腦電波的 shifting 電模式，研究人員可以可靠地猜測我們在想什麼（是的，初步的讀心術是可能的！），並且他們可以預測我們在學習某些學科方面的天賦。當這些科學家面對無監督學習的複雜性時，他們發現自己正在努力解決人類存在的最深奧的謎團之一：大腦如何創造思維。

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登上虛擬艦船

這個巨大房間的牆壁和天花板都被漆成黑色。佈置在空間周圍的二十四個數字攝像頭探測我身上的紅外二極體，以跟蹤我的運動，並將它們輸入到計算機中，當我四處走動時。我位於加州大學聖地亞哥分校超級計算機中心的虛擬現實房間內——這可能是地球上最接近《星際迷航》企業號星艦上的全息甲板的地方。神經科學家霍華德·波伊茲納使用這個設施來研究無監督學習——在這種情況下，我們如何學習掌握一個陌生的環境。

二極體不是我佩戴的唯一小玩意。我的頭上戴著一個橡膠帽，上面鑲嵌著 70 個電極，這些電極將我的大腦產生的電訊號傳送到我揹著的專用揹包內的儀器中。我還戴著配備 12 個微型影片投影儀和高解析度螢幕的大型護目鏡。

在我來這裡的前一天，我參觀了停泊在聖地亞哥港的美國海軍航空母艦“中途島”號。我萬萬沒想到這會是一個多麼巧合：波伊茲納和他的同事們以航母的佈局為模型，構建了他們的虛擬現實序列。當他們開啟我護目鏡內的投影儀時，我立刻被傳送回了那艘船上。我看到的是航空母艦內部儲藏室的 120 度全景，令人信服。抬頭看，我看到三角形的鋼桁架加固了支撐飛行甲板的天花板。低頭看，我看到難看的藍色政府配發油氈。實驗室周圍的高保真揚聲器創造了一個三維聲音空間，以完成這種錯覺。

波伊茲納解釋說，逼真是至關重要的，既是為了沉浸感，也是為了幫助大腦組織可用的豐富感官資訊。“如果你只是移動操縱桿或按下按鈕，你就不會啟用構建空間地圖的大腦回路，”他說。“在這裡，你正在環境中行走。你正在學習如何在其中移動，如何與之互動。你的大腦總是在預測。”

我可以在虛擬環境中行走，同時我的腦電波被記錄下來，這本身就是一個突破。通常，人們在進行腦電圖 (EEG) 記錄時必須保持靜止，以消除肌肉收縮時產生的電訊號，否則這些訊號會掩蓋微弱的腦電波。波伊茲納的小組設計了硬體和軟體來消除這種噪聲，讓受試者可以自由活動。“我們正在把你放進電子遊戲中，”波伊茲納說。

我走到一個橢圓形艙口，向外窺視停放著成排戰鬥機的機庫甲板。我抬起腿，準備跨過通往甲板的高門檻。“不要出去那裡，”波伊茲納說。“你必須待在儲藏室裡。”我迅速縮回了腿。從他的角度來看，我一定像是在空房間裡做啞劇。

我看到房間裡的儲物架上放著灰色氣泡，大小和沙灘球差不多。“你正在尋找一個綠色氣泡，”波伊茲納說。我在房間裡搜尋。向左轉，我看到它和旁邊的其他灰色球體一起放在架子上。我伸出手，觸控綠色氣泡。它破裂了！一個隱藏在裡面的物體出現了——一個紅色滅火器。我轉身，在房間的另一個角落找到並探測到另一個綠色氣泡。我戳破它，看到裡面裝著一把扳手。

當我探索這個新環境時，波伊茲納可以從我的腦電波活動的變化中看出，我正在形成儲藏室空間的心理地圖。神經元透過產生短暫的電脈衝進行交流，這些脈衝大約為十分之一伏特，持續時間為千分之一秒——這種訊號非常微弱，以至於要檢測單個神經元的放電，你必須開啟顱骨，並將微電極直接接觸神經細胞。儘管如此，當大群神經元一起放電時，它們周圍組織電場的隨之而來的波動足夠強，以至於頭皮上的電極可以檢測到它們。這些腦電圖記錄很像人群的喧囂，在體育場停車場可以聽到，而單個觀眾的談話則聽不到。

用腦電波構建地圖

大腦的電活動以不同頻率的波的形式掃過大腦。一些腦電波像高頻風暴一樣衝擊，而另一些則像海浪一樣以緩慢的振盪滾動。腦電波隨著不同的認知功能而發生顯著變化[參見側邊欄中的框]。波伊茲納的實驗發現，當受試者在房間內移動並構建空間地圖時，低頻 θ 波（振盪頻率約為 3 至 8 赫茲）在頂葉中增加。（頂葉位於大腦的後上方，大致位於頭頂被顱骨覆蓋的部分下方。）

科學家們不確定為什麼 θ 頻率的腦電波功率在空間學習期間會發生變化。但他們確實知道 θ 波在加強突觸方面很重要，因為我們形成了記憶。事實上，在我自己關於記憶細胞機制的研究中，我以 θ 頻率刺激神經元，以加強我在培養皿中保持活性的鼠腦切片中的突觸。約瑟夫·斯奈德，這位在我探索虛擬“中途島”號時操作電腦的研究科學家，認為由於 θ 波的低頻率，它可能負責大腦網路內的長程通訊，就像低頻 AM 無線電訊號比高頻 FM 廣播傳播得更遠一樣。

在該模型中，腦電波在學習中的作用是將大群神經元組合成功能元件，以便它們可以一起放電，並隨著電波穿過大腦而乘著電波的波峰和波谷——這正是形成我們環境的空間地圖或編碼任何複雜記憶所必須發生的。考慮一下所有必須匯聚在一起才能給我們生動記憶的感官元素、認知過程和情感感覺：球體的綠色、破裂的意外驚喜和聲音、儲藏室中的位置、對隱藏在裡面的滅火器的識別。該體驗的每個方面都編碼在專門用於聲音、顏色和其他感覺的大腦不同部分的迴路中。然而，為了學習和記住這個陣列作為一個連貫的體驗，所有這些元素都必須結合在一起。從波伊茲納對人們在遇到虛擬現實環境時的腦電波的竊聽中，我們現在知道 θ 波對於這種合成和學習至關重要。

除了在空間地圖形成中的作用外，腦電波還是特定刺激後認知功能的關鍵。這種誘發反應就像石頭投進池塘後產生的漣漪，與水中隨機的、始終存在的運動形成對比。波伊茲納分析了我在戳破綠色氣泡並發現隱藏在裡面的物體那一刻的腦電波反應。他發現，在我戳破綠色氣泡後 160 毫秒，我的誘發腦電波中出現了一個特徵性的漣漪。“這非常快，”波伊茲納觀察到。“僅僅做一個眼球運動就需要 200 毫秒。這是大腦正在檢測到一些不對勁的前意識感知。”

當波伊茲納將 VR 研究中的受試者帶回第二天時，他發現他們在沒有任何指導、預警或努力的情況下，顯然已經詳細記住了儲藏室。誘發的腦電波以一種令人驚訝的方式揭示了這一事實。波伊茲納和他的同事們故意錯放了一些隱藏在綠色氣泡中的物體。因此，當一個人戳破一個前一天裝有滅火器的綠色氣泡，但現在裡面裝的是扳手時，誘發的腦電波反應比受試者在與之前相同的位置找到物體時要大得多。

比眨眼還快，我們的大腦就知道我們的環境發生了變化，而且我們的大腦在我們的大腦理解它之前就知道。美國海軍資助了波伊茲納的研究，對利用這些快速的前意識大腦訊號感興趣。讀取飛行員的腦電波可以讓計算機在飛行員有意識地意識到威脅之前就採取行動。在這種槍戰中，最快的槍手甚至不知道他已經扣動了扳機。

波伊茲納的研究揭示了大約半秒後誘發腦電波中的另一個漣漪，這是大腦思考異常並將異常置於背景環境中的結果。“我們認為這代表了神經處理的第二次傳遞，”他說。“第一次傳遞是，有些不對勁。第二次是，哦！好的，我現在已將新資訊納入了我對環境的重建中。”研究人員在非常不同的實驗中報告了類似的結果。當受試者聽到一句意想不到的話——例如“我的咖啡要加奶油和狗”——時，類似的腦電波反應會在大約同一時間爆發。

尋找通往言語的道路

透過日常經驗學習我們的母語非常像對新空間的無監督學習。儘管語言很複雜，但我們所有人在童年時代都僅僅透過體驗就掌握了我們的口語。“我們知道，在子宮內，胎兒已經開始學習其語言的特性，”華盛頓大學心理學副教授 Chantel S. Prat 說，她是一位研究語言學習期間大腦變化的領先研究員。根據心理學家莉蓮·梅在不列顛哥倫比亞大學領導的 2011 年一項研究，新生兒可以識別母親的聲音，並且更喜歡他們的母語。心理學家芭芭拉·基西列夫斯基和她在安大略省女王大學的同事發現，即使是 33 周到 41 周大的胎兒也會對母親的聲音和一種新的外語表現出驚嚇反應，這意味著這些聲音在周圍的嗡嗡聲中引起了他們的注意。

我們常常未能體會到語言的複雜性，因為我們每天都在對話和思想中使用它。但是，當我們嘗試學習第二語言時，挑戰變得顯而易見。

普拉特和她的同事們一直在監測學習第二語言的受試者的腦電波活動，以瞭解我們如何應對這些挑戰。值得注意的是，他們發現腦電波模式本身表明了學生的表現如何。正如在波伊茲納的研究中一樣，普拉特在學習期間觀察到的變化發生在特定大腦區域的特定頻率的腦電波活動中。經過八週的外語培訓後，腦電波的功率不僅在左半球的大腦語言區域布羅卡區增加，而且在右半球的 β 波（頻率為 12 至 30 赫茲）中也增加——這是一個驚喜，因為語言通常與大腦的那一側無關。“變化越大，他們學得越好，”她說。這是一個被證明具有重大意義的驚喜。

讀心術

如果思想是存在的本質，那麼一些科學家正準備窺探我們的靈魂。也就是說，他們現在可以透過觀察某人的大腦活動來了解該人在想什麼，這對無監督學習的工作方式具有有趣的意義。卡內基梅隆大學認知大腦成像中心的馬塞爾·賈斯特和他的同事們可以可靠地說出一個人是在想椅子還是門，還是一個人心中想的是 1 到 7 中的哪個數字，甚至這個人可能正在感受的情緒——憤怒或厭惡、恐懼或快樂、慾望或羞恥——僅僅透過檢視功能性 MRI 掃描。整個大腦中特定神經元叢集的活動隨著這些概念或情緒中的每一個而增加，並且這些叢集在不同人之間出現在相同的位置。

在今年即將發表的研究中，賈斯特正在證明，即使人們在學習抽象概念時，他也能讀懂他們的心思。當學生複習大學物理課程的材料時，研究人員能夠從學生的 fMRI 中識別出一個人正在關注的 30 個概念中的哪一個。更重要的是，資料表明，不同的抽象科學概念對映到控制可能被認為是類似的，儘管更具體的，功能的大腦區域。例如，學習或思考波的傳播方式，會啟用與跳舞相同的大腦區域——本質上是節奏模式的隱喻。與運動物理學、向心力、重力和扭矩相關的概念會啟用人們觀看物體碰撞時反應的大腦區域。似乎抽象概念錨定在由大腦中特定迴路控制的離散物理動作上。

這些研究人員開始揭開人類大腦如何表示和保留資訊的秘密。這種洞察力正在幫助科學家將資訊從大腦傳輸到機器。例如，世界各地許多實驗室的研究人員正在開發由人的思想控制的假肢。計算機檢測和分析與肢體運動相關的大腦電波，然後在機器人肢體中啟用電動機以產生預期的運動。

下一步聽起來有點像誘導心靈感應或瓦肯思維融合。“我們發現你可以使用一個人的大腦訊號與另一個人交流，”普拉特說。“我們可以將資訊編碼到人腦中。”在 2014 年發表的一項引人入勝的研究中，她使用一種稱為經顱磁刺激的技術來修改受試者的腦電波，使其呈現出她在另一個人身上觀察到的腦電波的形狀——實際上是從一個大腦向另一個大腦下載資訊。

普拉特在這項未來主義研究中的動機不是弄清楚如何將我腦海中的內容傳輸到你腦海中；我們已經有非常有效的方法來實現這個目標。事實上，我現在正在這樣做，當你閱讀這些型別的模式並在你的大腦中重現我的思想時。相反，他們正在嘗試測試他們關於大腦中學習和資訊加密的發現。

“如果我刺激你的視覺皮層，你看到了，”普拉特說，“你是用你的大腦在看，而不是用你的眼睛。”這一成就將證明她確實破解了大腦對視覺資訊的編碼。她將在我們的神經科學教科書中寫下新的篇章，與關於巴甫洛夫和他的狗的那一章並列。

預測你的未來

在她最新的研究中，普拉特使用腦電圖分析達到了一個更加非凡的目的：準確預測哪些學生能夠快速學習一門新語言，哪些學生會感到吃力。我們的大腦在休息時所做的事情告訴研究人員很多關於它的佈線方式以及它作為一個系統如何運作的資訊。與她在語言學習期間右半球 β 波活動的發現相呼應，普拉特發現，一個人在右顳葉和頂葉區域的靜息狀態腦電圖中 β 波的功率越高，學生學習第二語言的速度就越快。原因尚不清楚，但一種可能性是，如果該區域的大多數神經迴路都充分參與了各種其他任務，那麼許多小組神經元將以各自略有不同的頻率振盪，因此任何一個頻率的高功率都表明存在大量未開發的池。“他們有點在等待學習一門語言，”普拉特推測。這種傾向非常重要，因為掌握一門新語言與許多認知益處相關，包括提高數學和多工處理技能。但是，她警告說，我們的大腦不可能在所有方面都擅長：“當你在一件事上變得更好時，它會以犧牲其他事情為代價。”

我向普拉特挑戰，讓她測量我的腦電波，看看她是否可以預測我學習第二語言的速度。她欣然同意。普拉特和她的研究生布裡安娜·山崎將電極應用於我的頭部，用鹽溶液潤溼每個電極，以改善來自我大腦的微小訊號的傳導。當她測試每個電極時，它會出現在計算機顯示器上，當訊號強度強時，顏色從紅色變為綠色。一旦它們都變成綠色，普拉特說，“閉上眼睛。這將是五分鐘。保持靜止。”當她調暗燈光並溜出門口時，她說，“放鬆就好。清空你的思緒。”

我試著這樣做，但我的思緒卻在飛速運轉。這個裝置真的能告訴普拉特，當我坐在這裡無所事事時，我能多麼容易地學習一門新語言嗎？我想起了波伊茲納在他的 VR 實驗室裡對我做出的類似吹噓——他可以根據人們在坐著讓思緒飄蕩時的大腦活動 fMRI 掃描來預測他們在他的空間學習實驗中的表現。這種所謂的大腦靜息狀態 fMRI 是指人們在什麼都不做，只是讓思緒飄蕩時的大腦活動，它不同於熟悉的大腦對特定刺激的反應的 fMRI 研究。事實上，在對一群人進行此類讀數幾個月後，波伊茲納將他們帶到 VR 試驗中，發現那些更快學會虛擬儲藏室佈局的人的靜息狀態 fMRI 記錄顯示，負責視覺空間處理的大腦網路的功能整合更緊密。

五分鐘過去了。普拉特和山崎回來了。“你得到好的資料了嗎？”我問。

“這比平均水平略低，”普拉特看著我微弱的 β 波說。然後她調出她自己的腦電波記錄，該記錄顯示 α 頻段出現了一個尖峰。它看起來有點像股票市場圖表中的尖峰。相反，我的大腦顯示功率轉移到更高的頻率，這是大腦皮層資訊處理的特徵。我顯然無法放鬆並讓我的思緒休息。

“我是個好的第二語言學習者嗎？”我問。

“不，”普拉特說。“你的斜率大約是 0.5，平均水平大約是 0.7。”

這是真的。我在高中時學過西班牙語，在大學時學過德語，但它們並沒有真正紮根。這比塔羅牌還令人毛骨悚然。“肯定有好處，”我說。

“當然……很多好處。”

“告訴我一個。”

“你非常沉浸在你的第一語言中。”

我呻吟了一聲。然後她補充說，“β 波功率與閱讀的關係正好相反。你可能是一位優秀的讀者。”

在我回到實驗室幾天後，劍橋大學的托馬斯·福爾克和他的同事們發表了一篇新論文，報告說，單語者在元認知或思考思考方面優於雙語者，並且他們在犯錯後更擅長糾正自己的表現。

我感覺好多了。思考思考並從失敗的實驗中學習：這正是我作為神經科學家所做的事情。你可以在我的簡歷中讀到這一點——也可以在我的腦電波中讀到。