根据习得技能时从新手到专家的大脑活动,培养孩子的“专家脑”

2019-12-12   少儿脑科技小课堂

当老鼠学习一项新任务时,它们的大脑活动会逐渐从“初学者”变成“专家”。这些变化反映在细胞回路的连接和神经元的活动上。

来自冷泉港实验室(CSHL)、哥伦比亚大学、伦敦大学学院和熨斗研究院的研究人员利用双光子成像显微镜和大量基因工具发现,当老鼠在完成一项经过训练的任务时,它们的神经网络会变得更加专注。他们利用这些数据来构建计算模型,以帮助理解决策背后的神经科学。

“我们同时记录了数百个神经元的活动,并研究神经元在学习过程中的作用,”CSHL的副教授Anne Churchland说。“我们还不知道动物或人类是如何学习一项任务的结构,以及神经活动是如何支持这项任务的。”

该研究的第一作者、Churchland实验室的博士后Farzaneh Najafi等人组成的研究团队,一开始是训练老鼠进行感知决策任务。小鼠们先接收闪光、滴答声等多重感官刺激,然后通过有选择地舔舐三个出水口中的一个,告诉研究人员这些刺激是高频还是低频。如果选择正确,小鼠会得到奖励。

“大多数决策研究都集中在小鼠已经能够熟练完成任务的时期。但是我们可以通过测量小鼠在学习过程中大脑中的神经元来了解它们是如何达到熟练状态的。”研究报告的第一作者Churchland说。“我们发现,所有动物的学习都是在大约四周的时间里逐渐进行的。支持学习的是大量神经元的活动变化。

研究小组发现,神经元对与特定任务相关的活动的反应变得更有选择性,反应速度也变得越来越快,这就是小鼠大脑活动从“初学者”变成“专家”的过程

当小鼠刚开始学习时,神经元直到做出选择时才会做出反应。但当小鼠越来越熟练和专业时,神经元的反应会提前很多。

“从这个角度而言,我们可以读懂小鼠的思想,可以预测小鼠将会做什么”Churchland说。“当你对某项任务还不熟练时,你的大脑会在许多事情上分心,所以你的神经元会参与所有不同的活动。但当你成为一名专家时,你就会专注于你要做的事,通过这样的神经元反映,我们就可以预测这些活动。

研究人员通过使用机器学习算法训练一个名为“线性支持向量机”的小型人工网络来解码神经活动。它从多个试验中收集性能数据,并将其与所有神经元活动相关联,以猜测小鼠将会做什么。随着小鼠完成任务愈加熟练,它们的神经网络也就更加精确与专注,当把这些变化映射在这一人工神经网络中,就可预测小鼠接下来的行为,准确度高达90%。

这些学习模型还提供了另一种方式来观察大脑中与认知有关的特定类型的神经元,如分别触发正性和负性变化的兴奋性神经元和抑制性神经元。在这项发表在《神经元》杂志上的研究中,研究小组发现,抑制性神经元是大脑中选择性很强的子网络的一部分,它们对小鼠将要做出的决策具有很强的选择性。

这些神经元是生物物理模型的一部分,有助于研究人员理解决策是如何进行的。随着研究人员不断完善这些模型,我们能够更好地理解认知是如何影响行为的。

我们已经学习了很多关于感知决策的知识——通过建立不同类型的模型来做出具体的预测,包括受试者做出正确和错误的决策,做出这些决策需要多长时间,决策过程中的神经活动是什么样的。” Churchland说。“现在我们可以更好地理解为什么会有这些选择性很强的子网络,它们如何帮助我们做出更好的决定,以及它们如何在学习过程中连接起来。”

有些人认为才能是与生俱来的。莫扎特3岁弹钢琴、5岁作曲的故事经常被人提起,这更强化了这种认识。

但我们经常忽视了故事的另一半:莫扎特的父亲是一位成功的音乐家、作曲家和指导者。他致力于教授莫扎特,帮助他努力练习,达到完美的境地。

尽管如此,莫扎特直到20岁出头才创作出他的第一部杰作,这建立在15年的艰苦练习和一流指导的基础之上。

才能不是与生俱来的,而是可以通过后天培养而获取的,在这一过程中,父母可以发挥很大的作用。

成功的条件

尽管有些人可能认为卓越的才能十分稀有,但心理学家Benjamin Bloom在调查了6个领域的顶尖人才后表示,情况并非如此: “别人能学会的,只要提供适当的学习条件,几乎所有人都能学会。”

这些适当的条件包括五个方面:提早开始、专业指导、刻意练习、培养中心目标专一

孩子们无法独自激活这些天赋因素,而是需要一位才能规划师来培养和促进他们的才能发展,而这里的规划师通常就是父母。

让我们来仔细看看

才能发展的因素和父母的影响

1、提早开始

天才的种子通常早在家里就种下了。一项研究显示,24名包括国际象棋选手和花样滑冰选手在内的天赋异禀的表演者中,有22名是由父母领入自己的天才领域的,且他们接触自己领域时通常年龄在2岁至5岁之间。

有一些家长本身就是优秀的演员或教练。其中一位是全国排球锦标赛教练John Cook,他培养了全美排球明星Lauren Cook。

老Cook说:“我的女儿因为我的工作而占据了一些优势。她是在排球的陪伴下长大的,在她很小的时候,我们在地下室建了一个迷你球场,然后一起打排球。”

有些父母与孩子所在的领域无关,但他们提供了一个培养孩子的早期环境,激发了孩子的兴趣。Adora Svitak就是这样一个成功的儿童作家和主持人。

11岁时,Adora出版了两本书,并发表了数百篇国际演讲,其中包括一篇被数百万人观看的TED演讲。Adora的父母Adora和Joyce都不是作家或演讲者,但他们为Adora的成就奠定了基础。正如她母亲所描述的,他们每天晚上花一个多小时为她读“充满趣味又引人入胜”的书。“阅读帮助Adora培养了对学习和阅读的热爱,”她说。

此外,他们鼓励Adora早期的写作,为她提供指导,帮助她出版书籍,安排演讲活动。为了管理Adora的事业,Joyce最终辞掉了工作。她说:“我得到了一份全职工作,这个工作很难。但是,我不是在管理某个人,我是在管理我的女儿。”

2、专业指导

父母竭尽全力为孩子提供或安排专业指导。国际象棋特级大师Kayden Troff在3岁的时候就学会了下棋,因为他是看着父亲Dan和哥哥姐姐们下棋长大的。

由于他们在犹他州的家附近象棋资源很少,Dan承担起了象棋教练的职责。为了成为一个优秀的教练,Dan每周在午餐休息时间和下班后学习10到15个小时的国际象棋。

他阅读书籍、观看视频、学习特级大师的比赛,然后他写了一本教授专门课程的书,用来在夜间的训练课程中教授Kayden。后来,当Dan再也跟不上Kayden的进步速度时,他安排Kayden通过互联网向大师们学习。

为了支付每月300美元的学费,银行家Dan和妻子做起了兼职的保管员,并花了400个小时组织一年一度的象棋夏令营。

3、刻意练习

天才的练习从来不是随意的,而是经过深思熟虑的:目标明确,超越自己的舒适区。

州立高中游泳冠军Caroline Thiel是这样描述她繁重的训练的:

“训练的时候,有时候你真的太累了。浑身酸痛,动力全无。你的大脑会停止工作,浑身肌肉疼痛、呼吸困难甚至呕吐。人们不会意识到游泳运动员训练有多艰苦,他们认为我们只要跳进游泳池,游几圈就行了。”

4、培养中心

当全国高中牛仔竞技比赛冠军Jayde Atkins被问及她为什么这么有天赋时,她说,“看看我所拥有的一切,我应该做得很好。” Jayde在内布拉斯加州中部的一个马场长大,两岁时就开始骑马。

她的父母Sonya和J.B.都是骑手和专业驯马师,他们每天教她骑马,和她一起练习好几个小时。他们家有许多良种马匹,还有一辆大拖车,可以把马匹运到附近的城镇参加牛仔竞技比赛。而他们的家庭牧场就是一个自制的牛仔竞技培养基地。

大多数天才的家里并没有一个培养中心。在这种情况下,他们可以在其他地方得到训练。以内布拉斯加州林肯市的三名网球运动员为例。在父母的祝福和支持下,Jon和Joel Reckewey十几岁时就离开了家,搬到了离家三个小时车程的堪萨斯,在著名的迈克·沃尔夫网球学院接受训练。

温布尔登网球公开赛和美国网球公开赛双打冠军Jack Sock小时候每周都去同一所网球学校,后来全家搬到了堪萨斯州。在父母的支持下,崭露头角的球员往往会被吸引到杰出的培养中心,在那里,他们会遇见许多顶级教练和优秀球员。

5、目标专一

天才拥有专一的目标。一位国际象棋高手的家长说,“我们花在象棋上的时间让他失去了很多乐趣和游戏的机会。另一位家长说:“他对上学不感兴趣,但对象棋感兴趣。象棋就好像是他的生命。有一次我们把象棋拿走了(因为他在学校的表现很差),他很痛苦。没了象棋,他就像没了灵魂一样。”

当这些父母被问及为什么他们的孩子会像他们那样热衷于国际象棋时,他们一致认为,他们的孩子从国际象棋中得到了很大的快乐和满足。

父母支持这种目标的单一性。然而,有时,他们可能会支持孩子拥有多个目标。例如, McKenzie Steiner是一名全州垒球运动员,也是一位冉冉升起的乡村音乐歌星。她的父亲Scott一直是麦肯齐的垒球教练,每年都要在球场上练习数千个小时的投球,还在后院练习投球,同时还是她的乡村乐队的汇编人、推广人和经理。

天才之路

聪明的家长都知道,要以激情和努力来帮助孩子在自己的领域获得成功。孩子需要父母的帮助和支持,因为孩子的某些需求只有父母可以满足,当然,父母帮助孩子,也是因为父母对孩子深深的爱。

参考:https://www.sciencedaily.com/releases/2019/11/191118110956.htm