根據習得技能時從新手到專家的大腦活動,培養孩子的「專家腦」

2019-12-12     少兒腦科技小課堂

當老鼠學習一項新任務時,它們的大腦活動會逐漸從「初學者」變成「專家」。這些變化反映在細胞迴路的連接和神經元的活動上。

來自冷泉港實驗室(CSHL)、哥倫比亞大學、倫敦大學學院和熨斗研究院的研究人員利用雙光子成像顯微鏡和大量基因工具發現,當老鼠在完成一項經過訓練的任務時,它們的神經網絡會變得更加專注。他們利用這些數據來構建計算模型,以幫助理解決策背後的神經科學。

「我們同時記錄了數百個神經元的活動,並研究神經元在學習過程中的作用,」CSHL的副教授Anne Churchland說。「我們還不知道動物或人類是如何學習一項任務的結構,以及神經活動是如何支持這項任務的。」

該研究的第一作者、Churchland實驗室的博士後Farzaneh Najafi等人組成的研究團隊,一開始是訓練老鼠進行感知決策任務。小鼠們先接收閃光、滴答聲等多重感官刺激,然後通過有選擇地舔舐三個出水口中的一個,告訴研究人員這些刺激是高頻還是低頻。如果選擇正確,小鼠會得到獎勵。

「大多數決策研究都集中在小鼠已經能夠熟練完成任務的時期。但是我們可以通過測量小鼠在學習過程中大腦中的神經元來了解它們是如何達到熟練狀態的。」研究報告的第一作者Churchland說。「我們發現,所有動物的學習都是在大約四周的時間裡逐漸進行的。支持學習的是大量神經元的活動變化。

研究小組發現,神經元對與特定任務相關的活動的反應變得更有選擇性,反應速度也變得越來越快,這就是小鼠大腦活動從「初學者」變成「專家」的過程

當小鼠剛開始學習時,神經元直到做出選擇時才會做出反應。但當小鼠越來越熟練和專業時,神經元的反應會提前很多。

「從這個角度而言,我們可以讀懂小鼠的思想,可以預測小鼠將會做什麼」Churchland說。「當你對某項任務還不熟練時,你的大腦會在許多事情上分心,所以你的神經元會參與所有不同的活動。但當你成為一名專家時,你就會專注於你要做的事,通過這樣的神經元反映,我們就可以預測這些活動。

研究人員通過使用機器學習算法訓練一個名為「線性支持向量機」的小型人工網絡來解碼神經活動。它從多個試驗中收集性能數據,並將其與所有神經元活動相關聯,以猜測小鼠將會做什麼。隨著小鼠完成任務愈加熟練,它們的神經網絡也就更加精確與專注,當把這些變化映射在這一人工神經網絡中,就可預測小鼠接下來的行為,準確度高達90%。

這些學習模型還提供了另一種方式來觀察大腦中與認知有關的特定類型的神經元,如分別觸發正性和負性變化的興奮性神經元和抑制性神經元。在這項發表在《神經元》雜誌上的研究中,研究小組發現,抑制性神經元是大腦中選擇性很強的子網絡的一部分,它們對小鼠將要做出的決策具有很強的選擇性。

這些神經元是生物物理模型的一部分,有助於研究人員理解決策是如何進行的。隨著研究人員不斷完善這些模型,我們能夠更好地理解認知是如何影響行為的。

我們已經學習了很多關於感知決策的知識——通過建立不同類型的模型來做出具體的預測,包括受試者做出正確和錯誤的決策,做出這些決策需要多長時間,決策過程中的神經活動是什麼樣的。」 Churchland說。「現在我們可以更好地理解為什麼會有這些選擇性很強的子網絡,它們如何幫助我們做出更好的決定,以及它們如何在學習過程中連接起來。」

有些人認為才能是與生俱來的。莫扎特3歲彈鋼琴、5歲作曲的故事經常被人提起,這更強化了這種認識。

但我們經常忽視了故事的另一半:莫扎特的父親是一位成功的音樂家、作曲家和指導者。他致力於教授莫扎特,幫助他努力練習,達到完美的境地。

儘管如此,莫扎特直到20歲出頭才創作出他的第一部傑作,這建立在15年的艱苦練習和一流指導的基礎之上。

才能不是與生俱來的,而是可以通過後天培養而獲取的,在這一過程中,父母可以發揮很大的作用。

成功的條件

儘管有些人可能認為卓越的才能十分稀有,但心理學家Benjamin Bloom在調查了6個領域的頂尖人才後表示,情況並非如此: 「別人能學會的,只要提供適當的學習條件,幾乎所有人都能學會。」

這些適當的條件包括五個方面:提早開始、專業指導、刻意練習、培養中心目標專一

孩子們無法獨自激活這些天賦因素,而是需要一位才能規劃師來培養和促進他們的才能發展,而這裡的規劃師通常就是父母。

讓我們來仔細看看

才能發展的因素和父母的影響

1、提早開始

天才的種子通常早在家裡就種下了。一項研究顯示,24名包括西洋棋選手和花樣滑冰選手在內的天賦異稟的表演者中,有22名是由父母領入自己的天才領域的,且他們接觸自己領域時通常年齡在2歲至5歲之間。

有一些家長本身就是優秀的演員或教練。其中一位是全國排球錦標賽教練John Cook,他培養了全美排球明星Lauren Cook。

老Cook說:「我的女兒因為我的工作而占據了一些優勢。她是在排球的陪伴下長大的,在她很小的時候,我們在地下室建了一個迷你球場,然後一起打排球。」

有些父母與孩子所在的領域無關,但他們提供了一個培養孩子的早期環境,激發了孩子的興趣。Adora Svitak就是這樣一個成功的兒童作家和主持人。

11歲時,Adora出版了兩本書,並發表了數百篇國際演講,其中包括一篇被數百萬人觀看的TED演講。Adora的父母Adora和Joyce都不是作家或演講者,但他們為Adora的成就奠定了基礎。正如她母親所描述的,他們每天晚上花一個多小時為她讀「充滿趣味又引人入勝」的書。「閱讀幫助Adora培養了對學習和閱讀的熱愛,」她說。

此外,他們鼓勵Adora早期的寫作,為她提供指導,幫助她出版書籍,安排演講活動。為了管理Adora的事業,Joyce最終辭掉了工作。她說:「我得到了一份全職工作,這個工作很難。但是,我不是在管理某個人,我是在管理我的女兒。」

2、專業指導

父母竭盡全力為孩子提供或安排專業指導。西洋棋特級大師Kayden Troff在3歲的時候就學會了下棋,因為他是看著父親Dan和哥哥姐姐們下棋長大的。

由於他們在猶他州的家附近象棋資源很少,Dan承擔起了象棋教練的職責。為了成為一個優秀的教練,Dan每周在午餐休息時間和下班後學習10到15個小時的西洋棋。

他閱讀書籍、觀看視頻、學習特級大師的比賽,然後他寫了一本教授專門課程的書,用來在夜間的訓練課程中教授Kayden。後來,當Dan再也跟不上Kayden的進步速度時,他安排Kayden通過網際網路向大師們學習。

為了支付每月300美元的學費,銀行家Dan和妻子做起了兼職的保管員,並花了400個小時組織一年一度的象棋夏令營。

3、刻意練習

天才的練習從來不是隨意的,而是經過深思熟慮的:目標明確,超越自己的舒適區。

州立高中游泳冠軍Caroline Thiel是這樣描述她繁重的訓練的:

「訓練的時候,有時候你真的太累了。渾身酸痛,動力全無。你的大腦會停止工作,渾身肌肉疼痛、呼吸困難甚至嘔吐。人們不會意識到游泳運動員訓練有多艱苦,他們認為我們只要跳進游泳池,游幾圈就行了。」

4、培養中心

當全國高中牛仔競技比賽冠軍Jayde Atkins被問及她為什麼這麼有天賦時,她說,「看看我所擁有的一切,我應該做得很好。」 Jayde在內布拉斯加州中部的一個馬場長大,兩歲時就開始騎馬。

她的父母Sonya和J.B.都是騎手和專業馴馬師,他們每天教她騎馬,和她一起練習好幾個小時。他們家有許多良種馬匹,還有一輛大拖車,可以把馬匹運到附近的城鎮參加牛仔競技比賽。而他們的家庭牧場就是一個自製的牛仔競技培養基地。

大多數天才的家裡並沒有一個培養中心。在這種情況下,他們可以在其他地方得到訓練。以內布拉斯加州林肯市的三名網球運動員為例。在父母的祝福和支持下,Jon和Joel Reckewey十幾歲時就離開了家,搬到了離家三個小時車程的堪薩斯,在著名的邁克·沃爾夫網球學院接受訓練。

溫布爾登網球公開賽和美國網球公開賽雙打冠軍Jack Sock小時候每周都去同一所網球學校,後來全家搬到了堪薩斯州。在父母的支持下,嶄露頭角的球員往往會被吸引到傑出的培養中心,在那裡,他們會遇見許多頂級教練和優秀球員。

5、目標專一

天才擁有專一的目標。一位西洋棋高手的家長說,「我們花在象棋上的時間讓他失去了很多樂趣和遊戲的機會。另一位家長說:「他對上學不感興趣,但對象棋感興趣。象棋就好像是他的生命。有一次我們把象棋拿走了(因為他在學校的表現很差),他很痛苦。沒了象棋,他就像沒了靈魂一樣。」

當這些父母被問及為什麼他們的孩子會像他們那樣熱衷於西洋棋時,他們一致認為,他們的孩子從西洋棋中得到了很大的快樂和滿足。

父母支持這種目標的單一性。然而,有時,他們可能會支持孩子擁有多個目標。例如, McKenzie Steiner是一名全州壘球運動員,也是一位冉冉升起的鄉村音樂歌星。她的父親Scott一直是麥肯齊的壘球教練,每年都要在球場上練習數千個小時的投球,還在後院練習投球,同時還是她的鄉村樂隊的彙編人、推廣人和經理。

天才之路

聰明的家長都知道,要以激情和努力來幫助孩子在自己的領域獲得成功。孩子需要父母的幫助和支持,因為孩子的某些需求只有父母可以滿足,當然,父母幫助孩子,也是因為父母對孩子深深的愛。

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

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-mo/vsV8JW8BMH2_cNUgm_Ow.html