科学家发现大脑中隐藏的学习障碍

人类能轻松适应新情况和信息，比如学习陌生的电脑软件、尝试新食谱或掌握新游戏规则，往往能快速上手；而人工智能（AI）系统通常难以实时调整和“即时”高效学习。

在一项新研究中，美国普林斯顿大学的神经科学家发现了这种差异的一个关键原因：人脑会在多种不同情境中重复使用相同的认知“积木”，并通过组合与重组这些积木来形成新的行为模式。

该研究的资深作者、普林斯顿神经科学研究所副所长蒂姆·布施曼（Tim Buschman）博士表示：“最先进的AI模型在单项任务上能达到甚至超越人类水平，但它们难以学习和执行多种不同任务。我们发现，大脑具有灵活性是因为它能在许多不同任务中重复使用认知组件。通过拼接这些‘认知乐高积木’，大脑能够构建新任务。”这项研究于11月26日发表在《自然》（Nature）杂志上。

**组合性：在新情境中重用技能**

如果有人已经会调试自行车，那么学习修理摩托车可能会感觉更简单。这种利用从相关经验中提取的更简单、熟悉的技能来构建新技能的能力被称为组合性。

普林斯顿大学布施曼实验室的博士后研究员、该新研究的主要作者西纳·塔法佐利（Sina Tafazoli）博士举例道：“如果你已经会烤面包，就可以利用这种能力烤蛋糕，而无需从头学习烘焙。你重新利用现有的技能——比如使用烤箱、称量食材、揉面团——并将它们与新技能（如打发面糊和制作糖霜）结合起来，创造出完全不同的东西。”

此前，关于大脑究竟如何支持这种灵活的组合性思维的证据一直有限，有时甚至相互矛盾。

为了更清晰地了解这一机制，塔法佐利训练了两只雄性恒河猴执行三项相关任务，同时记录它们全脑的活动。

**通过视觉分类任务测试灵活性**

实验中，猴子们被要求完成三项视觉分类任务：在屏幕上观察一系列彩色的、类似气球的斑点，判断每个斑点更像兔子还是字母“T”（形状分类），或更红还是更绿（颜色分类）。这些斑点的差异清晰度各不相同，有些明显易辨，有些则模糊不清，需要仔细判断。猴子通过看向屏幕上的四个不同方向来表明判断结果。

实验的关键设计在于：每项任务虽有特定规则，但共享关键组件。例如，其中一项颜色任务和形状任务要求猴子看向相同方向来表明选择；两项颜色任务都以相同方式分类颜色（更红或更绿），但表明判断时看向不同方向。这使研究人员能观察到任务共享特征时，大脑是否重复使用相同的神经活动模式（即认知积木）。

**前额叶皮层：可重用认知积木的中枢**

研究发现，前额叶皮层（大脑前部参与高级思维和决策的区域）包含几种反复出现的活动模式。当一组神经元为实现共同目标（如区分颜色）而协同工作时，这些模式就会出现。布施曼将这些模式称为大脑的“认知乐高积木”——一套可灵活组合以产生不同行为的积木。

他解释：“我把认知积木看作计算机程序中的函数。一组神经元可能负责辨别颜色，其输出可映射到驱动动作的另一个函数。这种结构使大脑能通过依次执行任务的每个组件来完成任务。”例如，一项颜色任务中，大脑会组合判断颜色的积木和引导眼球运动的积木；当切换到使用类似眼球运动的形状判断任务时，大脑只需激活形状处理积木和相同的眼球运动积木即可。

这种积木共享主要出现在前额叶皮层，在其他脑区则未达到相同程度，表明组合性可能是前额叶皮层的独特功能。

**开启和关闭积木以集中注意力**

研究还观察到，前额叶皮层会在某些认知积木不需要时让它们“安静”下来，这有助于大脑专注于当前重要任务。塔法佐利指出：“大脑的认知控制能力有限，必须压缩部分能力以聚焦当前所需。例如，专注于形状分类时，编码颜色的能力会暂时减弱，因为目标是辨别形状而非颜色。”通过选择性激活和抑制不同积木，大脑可避免信息过载，确保表现聚焦于当前目标。

**认知乐高积木、AI与心理健康**

这些认知乐高积木可能解释了人类为何能快速学习新任务：大脑无需从头开始，而是利用现有认知组件并重组，避免重复劳动——这正是当前AI系统普遍缺乏的能力。塔法佐利表示：“AI存在‘灾难性干扰’问题，学习新内容时会覆盖旧记忆，比如学会烤饼干后可能忘记如何烤蛋糕。”

将组合性融入AI或能使其更接近人类学习模式，实现学习新技能而不抹去旧技能。在医学领域，精神分裂症、强迫症及某些脑损伤等疾病可能导致患者难以将现有技能应用于新情境，这或许与大脑无法顺利重组认知积木有关。塔法佐利说：“长远来看，理解大脑如何重用和重组知识，可能有助于设计恢复这一过程的疗法，帮助人们重新获得适应变化的能力。”

该研究的资金由美国国立卫生研究院（R01MH129492、5T32MH065214）提供。