灵光乍现，悟了！“快速”学习也靠“顿悟”

来源：原理

你一定早已把每天上下班的通勤路线熟记于心，地铁2号线转5号线，出站右转再走500米……这些事情可能看起来稀松平常，但它其实是一个很好的例子向我们说明，即使是这些看似最普通的行为，也需要依赖大脑完成相当复杂的任务，包括导航、记忆、决策、感官处理等等。

为了更好地理解大脑，研究人员经常使用动物模型，比如小鼠，来研究这些行为背后的神经过程。但随着研究的深入，一些科学家意识到，许多用于研究小鼠学习的实验任务并不是“自然的”，换句话说，很多实验包含了那些小鼠并不会在日常生活中做出的行为。

加州理工学院的研究人员近日进行了一项不太一样的研究。他们测量了小鼠如何在复杂的迷宫中导航并找到方向，从而提出了一个研究复杂动物行为和动物学习的新框架。

在实验中，小鼠很快学会了如何在迷宫的陌生环境中导航。它们掌握这项自然的任务的速度，比学会那些简单但非自然的任务的速度还要快1000倍。在这个过程中，小鼠似乎表现出一种“灵光乍现”的时刻，暗示它们在整合所有已知的信息。这项研究对我们如何看待大脑和身体在智力中的作用有一定的启示作用。

更有趣的是，在研究中，加州理工学院的一些研究生在电脑上进行了同一个迷宫的实验，这些聪明的脑袋瓜的表现实际上与小鼠很相似。

研究已于近日在线发表在eLife上。

现在想象一个方向盘在你面前。当你左边的一盏灯亮起时，你必须向左转动方向盘。类似的，当你右边的灯亮起时，你必须向右转动方向盘。这个任务里只有左转或右转两个决定，你可能根本不用花时间来学习。

但同样的任务对一只实验室的小鼠来说，可能需要约10000次试验才能正确地学习如何完成。即使如此，小鼠也可能也只有80%的几率正确地完成它。这项任务虽然对人类很简单，但对小鼠来说却不是一项“完全自然”的任务，毕竟，它们平时应该没什么机会摆弄方向盘。

在过去几年间，加州理工的团队一直在尝试开发一些实验方法，并希望这些方法能更尊重自然的动物行为的复杂性，这些行为需要更类似动物在现实世界中的行为。

团队开发出了一个复杂的迷宫供小鼠探索，其中包括63个决策交叉路口，还有64个可能的终点。在迷宫里有一个“饮水点”，可以为它们提供一些水。

笼子和封闭迷宫的俯视图（A）和侧视图（B）。|图片来源：Rosenberg， M。 et al。 /eLife

研究人员让一只小鼠从笼子进入迷宫，随心所欲地探索一整晚。一台摄像机跟踪小鼠的运动并量化了它的探索行为。这些小鼠就这样被放在复杂的迷宫环境中，而团队不会对这些小动物施加任何影响。

在7个小时后成员会回到房间，通过视频分析小鼠在这段时间里所做的事情。简单来说，他们允许小鼠做各种各样的决定，而不是强迫它们接受一些与实际无关的抽象任务。

在大约一半的实验中，小鼠感到口渴，这可以被认为是受寻寻找水源的驱动。在另一半的实验中，小鼠感到很满足。虽然口渴的小鼠不知道迷宫里有水，但它仍然会有条不紊地探索迷宫。在第一次发现供水口的所在之处后，小鼠平均只需约10次，就可以找到从笼子到供水口的最直接且最高效的路线。最直接的路线需要6个正确的决定。

迷宫结构为二叉树，它有63个分支点（编号为0、……、5）和64个末端节点。其中一个末端节点有一个饮水点，可以为小鼠供水。蓝线代表从迷宫入口到饮水点的最直接路径。|图片来源：Rosenberg，M。 et al。/eLife

研究注意到，参与实验的19只小鼠都倾向于遵循某些“探索规则”。例如，当遇到一个交叉路口时，小鼠可以选择向左、向右或回到原来的方向。所有的19只小鼠都有一种强烈的偏好，会选择继续前进，而不是转回原来的方向。

此外，小鼠在探索时倾向于交替选择左边和右边。这些“规则”究竟是由经验产生的，还是与基因紧密相连，还有待发现。

Rosenberg，M。 et al。 / eLife

团队随后制作了一个“复刻版”迷宫的电子游戏，并邀请加州理工其他一些研究生在电脑上探索迷宫。学生们的表现和小鼠很像，在经历了相似数量的成功体验后，他们学会了如何在迷宫里找到方向。

研究认为，小鼠“快速”学习的一个关键部分是一种被研究人员称为“顿悟”（sudden insight）的现象。

在更传统的小鼠学习实验中，比如之前提到的方向盘任务中，小鼠将倾向于缓慢地学习，在正确完成任务方面逐步提高。但在迷宫范式中，每只小鼠都表现出一种“灵感乍现”的时刻，它们似乎突然明白了如何在迷宫中找到方向。

尤其是对那些获得奖励最多的小鼠来说，也就是实验中那些因为口渴而受到一种驱动力的小鼠，它们会突然一下“悟”了。在这样一个时刻之后，动物开始更频繁地选择复杂而直接的路径到达水源的位置，这暗示着，它们正在将自己在迷宫中得到的知识整合在一起。

研究人员相信，他们已经找到了一种设计任务的方法挖掘小鼠的核心能力。虽然小鼠不会说话，但通过这些自然方法的设计，就有机会观察到它们熟练的行为，让我们能真正了解动物的学习行为是如何发生的。

#创作团队：

原文作者：Lori Dajose

编译：Måka

#参考来源：

https：//www.caltech.edu/about/news/mice-can-learn-much-faster-than-previously-thought

https：//elifesciences.org/articles/66175

#图片来源：

封面来源：Max Pixel