作者|王聰 來源|生物世界(ID：ibioworld)

解讀在復雜動態環境中遇到的大量信息對我們的感官系統提出了很高的要求。眾所周知，訓練可以提高我們做出感知判斷的能力，這個過程被稱為感知學習。然而，在做出感知決策時，個體在考慮以往經驗的能力上存在著顯著差異。

最近的研究表明，行為表現的個體差異可能與大腦狀態的動態變化有關，也就是說，大腦皮層興奮性隨時間波動。然而，我們對大腦狀態的理解仍然有限，這種狀態是個體之間以及同一個體在不同環境下學習能力差異的基礎。

訓練可以提高我們在復雜環境中互動時的決策能力。然而，每個人在不同的環境中學習新任務和獲得新技能的能力是不同的。那么，如何訓練才能提高這種能力呢？

近日，英國劍橋大學的研究人員在 Cerebral Cortex 期刊發表了題為：Learning at your brain's rhythm: individualized entrainment boosts learning for perceptual decisions 的研究論文。

該研究首次證明，在一個人執行學習任務之前，短暫地調整一下他們的腦電波周期，可以極大地提高認知能力的提升速度。

研究團隊表示，根據大腦的自然節律來調整信息傳遞的速度，可以提高我們吸收和適應新信息的能力。這些技術可以幫助我們在以后的生活中保持“神經可塑性”，并促進終身學習。

論文通訊作者 Zoe Kourtzi 教授表示，每個大腦都有自己的自然節律，這是由神經元共同工作時產生的振蕩。這項研究模擬了大腦神經元震蕩產生的自然節律的波動，這樣大腦就能自我協調，并處于最佳狀態。我們大腦的可塑性是一種重組和學習新事物的能力，它不斷地建立在先前神經元相互作用的模式上。通過控制腦電波節律，有可能提高從嬰兒到成年的整個生命周期的靈活性學習。

在這項研究中，研究團隊使用腦電圖（EGG）傳感器連接在頭部來測量80名研究參與者的腦電活動，并對他們的腦電波節律進行采樣。研究團隊采集了阿爾法波讀數。作為腦電波頻譜的中頻，當我們清醒和放松時，阿爾法波往往占主導地位。阿爾法波在8-12赫茲之間振蕩：每85-125毫秒是一個完整的周期。然而，在這個范圍內，每個人都有自己的峰值頻率。

該研究中使用的腦電電極帽，圖片來自劍橋大學

研究團隊利用從這些參與者中采集的阿爾法波讀數創造了一種光學“脈沖”：一個白色方形屏幕在黑暗背景上閃爍，與每個人獨特的阿爾法波節律相同。

參與者接受1.5秒的個性化脈沖信號，以誘導他們的大腦以自然節律工作，然后他們接受一項棘手的快速認知任務：嘗試在一連串視覺混亂中識別特定的形狀。

腦電波周期由波峰和波谷組成。一些參與者接收到的脈沖與他們的腦電波的波峰相匹配，一些接收到的脈沖與他們的腦電波波谷相匹配，而另一些接收到的脈沖要么是隨機的，要么是錯誤的（稍微快一點或慢一點）。每個參與者重復了800多個不同的認知任務，然后測量他們的認知能力提高速度。

那些接受了正確的脈沖節律的人的學習速度至少比其他所有組快三倍，而且，他們在第二天接受另一輪學習任務時，依然能夠保持更高水平的表現。

該論文的第一作者 Elizabeth Michael 博士表示，很興奮能夠發現這種令人印象深刻的學習能力提升所需的特定條件。整個干預過程本身非常簡單，只需要在屏幕上進行一個短暫的閃爍，但當我們達到正確的頻率加上正確的相位對齊時，似乎就會產生一個強大而持久的效果。

重要的是，夾帶脈沖（entrainment pulses）需要與腦電波的波谷同步，研究團隊認為，這是一個腦電波周期中神經元處于“高接受性”狀態的點。通過將信息傳遞與腦電波的最佳階段相匹配，就可以最大限度地捕獲信息，因為此時我們的神經元高度興奮。

該論文的共同通訊作者Victoria Leong 實驗室之前的研究表明，當母親和嬰兒交流時，他們的腦電波會同步。Victoria Leong 認為，這項最新研究中的機制非常有效，因為它反映了我們嬰兒時期的學習方式。利用這種機制，使我們的大腦能夠與環境中的短暫刺激保持一致，特別是在父母和嬰兒互動過程中的語言、凝視和手勢等交流信息。當大人對兒童說話時，他們采用的是兒童導向語言——一種緩慢而夸張的說話方式。這項研究表明，兒童導向語言可能是一種自發的速度匹配方式，并引導兒童較慢的腦電波來支持學習。

研究團隊認為說，雖然這項研究測試的是視覺感知，但這些機制可能是通用的，適用于廣泛的任務和情況，包括聽覺學習。他們認為腦電波夾帶（生理過程對來自環境的節律性刺激做出反應并適應性地與其節律頻率同步的趨勢）的潛在應用可能聽起來像科幻小說里的東西，但現在越來越可能實現。

論文通訊作者 Zoe Kourtzi 教授表示，雖然這項研究使用了復雜的腦電圖儀器，但現在已經有了簡單的頭戴式系統，可以很容易地測量大腦頻率。現在的孩子們經常通過屏幕來學習東西，可以想象，對于那些可能由于注意力缺陷而在普通教室里學習困難的孩子來說，可以使用腦電波節律來提高他們的學習能力。

腦電波夾帶在促進學習方面的其他早期應用可能涉及對快速學習和快速決策至關重要的職業培訓，如飛行員或外科醫生。虛擬現實模擬現在是許多職業培訓的有效組成部分，在這些虛擬環境中實現與腦電波同步的脈沖可以給新學習者帶來優勢，或者幫助他們進行后續再培訓。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/cercor/bhac426

編者按：本文轉載自微信公眾號：生物世界(ID：ibioworld)，作者：王聰