人类大脑如何创建相关概念的认知地图

人脑的神经活动迅速重构，以反映适应变化环境所需的隐藏关系。令人惊讶的是，试错学习和口头指导引发了类似的改变。

世界在不断变化。《自然》杂志上的一篇论文中，Courellis等人1详细探索了人脑是如何做出概括，使其能够适应变化的。

随着季节的更替，与夏天相关的物品取代了与冬天相关的物品。每种关联都可以独立学习：夏天穿轻薄衬衫；冬天穿夹克；夏天带防晒霜等等。但每个季节（上下文）都富含“关系结构”，其中一组物品和活动与一个季节相伴随。冬天去滑雪时，你穿上夹克，戴上围巾，并从储藏室取出雪橇，而夏天去海滩则涉及穿轻便衣服，涂防晒霜和带上沙滩椅。将季节性相关物品分组在一起，并将物品分别归入类别（穿戴的东西、随身携带的物品或从储藏室取出的物品）是高效的：到了夏天，你可以一次性打开所有夏季物品，同时收起所有冬季物品（图 1）。

图 1 | 相关物品的认知地图。某些物品与特定上下文相关联（例如，夏天或冬天）。尽管每个物品可以独立与一个季节关联，但将所有夏季物品相互关联，以及所有冬季物品相互关联——一种关系学习的形式——使大脑能够高效地适应上下文的变化。这些关联的结构由大脑海马体中的神经元活动模式所反映。每个点代表一组神经元的活动模式，对应于每个物品。这个空间中活动的映射方式反映了物品如何被关联的结构：垂直轴分隔上下文（夏天和冬天）；其他轴显示每个上下文中物品之间的关系；双头箭头连接不同上下文中相似类别的物品。Courellis等人1探索了人脑如何创建这样的相关概念地图。

Courellis等人研究了人脑如何表示作为“相同”的某些方式相关联的不同物品之间的关系。这种关联使大脑能够高效地适应上下文的变化。作者们展示了，无论人类是通过试错缓慢学习这些关联，还是通过口头指导快速学习，大脑中代表这些关系的神经活动模式都是相似的。

20世纪初出现的一种心理学方法称为行为主义，它主张学习主要通过将动作与强化（奖励或惩罚）联系起来发生。这种动作-强化关联类似于彼此独立地学习每个物品-季节关联。相比之下，一种称为认知心理学的思想流派（在1950年代变得流行）强调了内部心理状态、记忆和关系学习（理解概念间的关系）对智能行为的重要性。

一系列经典实验2表明，大鼠能够在没有任何奖励的情况下独立学习已探索环境中位置之间的空间关系。该研究中的一个关键实验显示，至少在空间领域，如果任务可以通过动作-强化关联或关系学习来解决，动物倾向于采用关系学习策略。这些发现促成了“认知地图”的概念——一种基于感官提示、它们的位置以及它们之间关系构建的已探索空间的心理表征，使个体能够在该空间中导航。这种认知地图后来被定位到大脑的一个区域，称为海马体3，已知对人类形成自传式记忆至关重要。

一系列引人注目的研究4–7已经证实，动物能够将海马体的神经活动模式和认知地图从空间环境转移到“非空间领域”——这意味着参与映射物理空间的神经元也参与到映射非空间认知空间中。例如，当啮齿类动物静止不动并聆听一个音调平稳变化的声音时，海马体以相同的方式（使用相同的神经元）代表不同音调的“位置”以及它们在“音调空间”中的关系，就像啮齿类动物在物理上导航通过迷宫一样6。同样，猴子仅仅想象滚动浏览先前记忆的图像序列，就会以类似于实际导航空间的方式激活海马体神经元7。这些研究确立了海马体中的认知地图超越了物理空间，扩展到了其他抽象领域。

还有三个关键问题尚待解答。首先，这种类型的抽象地图能否快速组装？由于这些研究中的动物接受了长时间的训练来执行任务，这个问题的答案一直不清楚，但对学习可能有很大的影响。其次，认知地图的发现（尤其是单个神经元水平上的）是否适用于人类？第三，人类的认知地图在多大程度上特定地定位于海马体？

为了回答这些问题，Courellis等人与正在接受癫痫手术治疗的志愿者合作。作者们收集了一个大型且宝贵的数据集，包括多个大脑区域的单个神经元记录，具有高时间精度，参与者在执行简单任务时进行记录。他们必须学习四个图像（例如，一个人、一只猴子、一种水果和一辆汽车）之间的指定配对以及每个图像对应的左右动作（例如，人和猴子是左边，水果和汽车是右边）。在任务的各个点，没有预告的情况下，图像到动作的分配会发生变化——也就是说，上下文发生了变化。但这种变化不是随机的：所有的分配简单地反转了，因此共享同一动作的图像仍然这样做（例如，人和猴子变成了右边，水果和汽车变成了左边）。一些参与者认识到项目之间存在一致的关系（即关系结构），并且只需在一个图像上犯一个错误，他们就能切换上下文并在随后的图像上正确响应。

通过测量每个图像的一组海马神经元的活动，作者们可以研究该图像的海马体表示。这种表示可以在一个高维空间中被形式化为一个点，其中每个轴对应于一个神经元的活动。在认识到关系结构的参与者中，共享动作的不同图像（例如，人和猴子）的海马体表示比分配给相反动作的同等不同的图像（人和汽车）的表示更为相似，从而创建一个简单的认知地图，可以跨上下文推广。显然没有认识到关系结构的参与者无法立即切换到上下文的变化，他们的海马体活动并未反映这种认知地图。

值得注意的是，海马体的表示并不反映实际的图像-动作配对，这些配对随着上下文的变化而变化。这种切换必须在海马体下游的某个地方发生，沿着运动的神经通路。相反，海马体反映了不同输入在各个上下文中的相似之处。这些关系结构和它们与行为的联系被定位于海马体而不是其他高级认知脑区，如前额叶皮层。这表明人类以与其他动物类似的方式编码认知地图，关键的关系表示优先定位于海马体。

Courellis等人的研究还使得我们可以询问快速学习如何塑造认知地图，因为人类可以通过口头指导来解决任务。最初没有认识到图像之间关系的参与者随后被告知这些关系。大多数参与者在单个图像上犯错后能够立即切换动作配对。令人惊讶的是，在接受指导几分钟内，他们的海马体表示也以类似于经验慢速学习后看到的方式反映了图像之间的关系结构。据我们所知，这是第一个显示快速学习（由语言指导）可以导致与慢速学习类似的认知映射的研究。动物无疑也有“顿悟”的时刻，但与人类不同，很难诱导这些洞察力或控制它们的发生来研究认知地图的快速重塑。

这些结果对于机器学习有着有趣的启示。在一项类似于此处使用的类似任务上训练的猴子显示了慢速学习的海马体活动的相似模式，这些结果可以轻松地通过训练循环神经网络（一种学习随时间整合信息的人工神经网络类型）8来复制。但是，来自指导或突然洞察力的快速学习可能无法复制。因此，最有趣的关于大脑的事情是目前无法通过标准的人工神经网络训练复制的一切，这依赖于数百到数千个例子。理解大脑允许这种快速学习和关系洞察力重新利用的机制仍然是一个开放的挑战，可能对人工智能应用也很重要。