Curr. Biol. | 方方课题组报道双人知觉学习提升学习效果和脑可塑性
专业的影像科医生可以在复杂的X光片中准确识别出病灶的位置，出色的乒乓球运动员可以在乒乓球高速飞行的过程中就辨别出乒乓球旋转的方向和速度。面对非常细微、转瞬即逝的视觉特征，这些”最强大脑“的非凡感知能力，往往并非天赋异禀，而是来自于每个人都拥有的神经系统的可塑性。通过训练而实现的感知觉能力的提升，被称为”知觉学习“。
知觉学习的研究已有数十年的历史，对于视、听、触觉这些对于生物生存基本且保守的感觉功能，知觉学习现象的发现反映了神经系统巨大的灵活性，让我们看到了神经损伤后认知能力恢复以及特种人员的超级能力的训练的希望。北京大学心理与认知科学学院、IDG麦戈文脑科学研究所、北大-清华生命科学联合中心方方课题组近年来一直关注知觉学习这一课题，一方面从原理解析的角度，探索感知觉能力提升背后的神经加工机制，一方面从神经调控的角度，探索增强知觉学习效果的创新方法，取得了一系列成果。
2023年6月19日，北大-清华生命科学联合中心方方课题组与北京大学心理与认知科学学院、IDG麦戈文脑科学研究所李健研究员课题组，北京大学计算机学院王亦洲教授课题组合作，在《Current Biology》发表题为“Dyadic visual perceptual learning on orientation discrimination”的研究论文，运用功能磁共振脑成像与心理物理学实验，首次揭示了社会情境对于视觉知觉学习的促进作用以及相关的神经加工机制。美国布朗大学Luke Rosedahl博士和Takeo Watanabe教授为本研究专门撰写了推荐文章“Perceptual Learning: Training together makes us better”，称本研究为理解知觉学习做出了令人兴奋的、崭新的贡献，并扩展了知觉学习研究的版图。
知觉学习过程中感知觉能力的提升，起初被认为只与感知觉加工相关的脑区或神经活动相关，证据是受训提高的感知觉能力对于训练任务有着很大的特异性，训练左眼判断条纹的朝向变得更加敏锐了，但换到右眼，表现的提升则会比较有限，改变只是发生在”基层“的单眼神经元。但是随着研究证据的积累，研究者逐渐发现感知觉系统虽然基础且保守，但并非一座孤岛，感知觉神经活动的变化，同样也受到注意网络、奖赏系统的调控，当研究者操纵受试者在知觉训练过程中的注意力，或改变训练过程中的反馈或奖励，都有可能干预知觉学习的过程，带来截然不同的学习效果。
每个个体也同样不是一座孤岛，人类是社会性的动物，在漫长的历史过程中，人类的大脑与族群不断协同演化，帮助个体和族群更好地适应环境。那么人类与生俱来的社会性，是否会调控基础的感知觉功能呢？在既往的知觉学习研究当中，受试者往往是单独进行训练，因而忽略了在日常生活中普遍存在的社会情境对于学习的影响。在最新发表的研究中，方方研究团队通过一种创新的实验范式，让两名受试者同时进行基础视觉任务的训练，并可以通过训练程序的反馈，了解到同伴实时的表现情况。通过与单独训练的单人训练组进行比较，实验结果显示在社会情境下训练的双人学习组，无论是提高的总量，还是学习的速率，都表现出了显著的提升。特别地，当为期六天的双人训练结束后，对双人组受试者进行单独测试时，感知觉的提升也能得到保留。这一结果证明了感知觉加工，如同其他很多高级认知过程一样，也可以受到社会情境的影响和增强。
进一步地，实验发现知觉学习的提升效果，和学习搭档的能力有着很强的关系，和表现更好的搭档一同训练，往往提升的效果也会更好。在文章的第二个实验中，研究团队操纵了学习搭档的能力，设置了提前经过一段时间训练，任务表现更好的“强搭档” ，和在训练过程中被偷偷增加实验任务难度，任务表现更差的“弱搭档”。实验结果显示和”强搭档“一同训练，知觉学习的速率和总量都得到了更大的提升，而和”弱搭档“配对，则仅仅在训练之初表现出了学习速率的提升，当训练趋于尾声，任务表现的提升都相较于单人学习无异。这一结果提示不同的搭档会带来不同的社会情境，引发不同类型的社会比较，从而影响知觉学习的过程。向上比较会进一步刺激受试者在知觉任务中实现更大的提升，而向下比较则会让受试者满足于现状，停滞不前。
图1 双人知觉学习范式示意图（左上），两名受试者共同完成知觉训练任务。视觉训练任务示意图（右上），受试者被要求判断相继出现的两个黑白条纹之间细微的朝向角度变化。行为实验结果示意图，双人学习能够更有效地促进知觉学习的效果，带来更大的表现提升（左下），以及更快的学习速率（右下）。
在第三个实验中，研究团队利用功能磁共振脑成像，探究了双人知觉学习背后的神经加工机制，通过对训练前和训练后受试者大脑的扫描和分析，结果显示，经过双人训练后，与单人训练相比，初级视皮层V1和外侧枕叶LO对视觉特征的辨别能力都有进一步显著，反映了社会情境对于知觉的影响可以发生在非常早期的阶段。而通过在训练过程中对单人训练和双人训练的比较，研究发现顶叶和背外侧前额叶这些与社会认知密切相关的脑区，会在两种训练之间表现出不同的活动模式，并在双人训练过程中表现出与视觉皮层更强的功能连接。这些结果显示与社会认知相关的脑区会参与到知觉学习的过程当中，并提示高级脑区与感觉皮层的互动，会影响初级感觉皮层的可塑性变化。
图2 利用功能磁共振脑成像探究双人学习的神经加工机制。双人学习能够显著提升初级视皮层和外侧枕叶对于朝向的神经解码正确率（上图），双人学习过程中，顶叶与背外侧前额叶与早期视皮层的功能连接显著增强（下图）。
本研究是方方课题组近年来知觉学习系列研究中的重要一环，对于探明知觉学习的神经机制和开发增强知觉学习的方法两方面均有贡献。一方面，通过创新的实验设计，研究团队大胆地探索了高级社会认知功能对于初级视觉知觉学习的影响，提示以一个复杂系统的视角研究真实世界学习或神经可塑性的必要性；另一方面，通过探索增强知觉学习的方法，为后续认知增强或康复研究提供了一种新思路，借助人类自身的神经环路和社会心理属性，可以直接提升行为训练的效果。相比于外加的电磁神经调控方式或者药物调控方式，可以预见这种方法会有更小的安全风险和更高的耐受性和接受度。
方方课题组已毕业博士生张翼飞为本文第一作者，北大-清华生命科学联合中心方方教授为本文通讯作者，课题组博士生毕可言参与了本项研究，并做出了重要贡献。该研究得到了北大-清华生命科学联合中心、国家自然科学基金委、科技部科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目的资助。
方方
北京大学心理与认知科学学院教授
北京大学IDG麦戈文脑科学研究所PI
北大-清华生命科学联合中心PI
邮箱：
ffang@pku.edu.cn
个人主页：
http://www.psy.pku.edu.cn/kxyj/kysys/238242.htm
研究领域：
方方课题组主要利用脑成像、神经调控、心理物理学、计算建模、人类遗传学等方法和技术，研究视知觉、意识、注意及其认知神经机制。
转自：“生命科学联合中心”微信公众号
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