我們如何學習——人腦的學習機制

【撰文:韓晗璐】

「學習」 是一個人人都很關心的話題。不論對於仍在讀書的學生,還是已經步入社會的人們,人總不斷學習,亦常想到如何學得更好。以及近年來,有關人工智能的話題討論愈演愈烈,究竟人工智能和人類的學習又有何不同呢?

關於以上這些問題,世界著名的法國認識神經科學科學家——Stanislas Dehaene 在他2021年發表的新書How we learn: Why brains learn better than any machine…for now均做出了解答。讀書會有幸邀請到認知科學科學家、現任現為香港理工大學中文及雙語系副教授,並身為中大校友的張偲偲博士為大家引讀書中的部分內容,感興趣的觀眾便可觀看講座錄影之後再細讀此書。

講座主要涵蓋了三個部分,與書中的內容順序大致相同但更加簡略:

  • 為何當下人腦學習比人工智能學習更好
  • 學習能力是先天決定還是靠後天努力?
  • 學習的四個支柱:專注力、主動性、錯誤反饋、鞏固

這是我們的大腦

張偲偲博士向對於對神經科學不太熟悉的觀眾簡單介紹了人腦的功能:說人類大腦是全宇宙最複雜的器官毫不誇張。它由860億個神經元和幾乎同等數量的非神經元細胞組成。神經元之間彼此連接(一個神經元可以和多個神經元連接,因此人腦中的神經連接高達100萬億個),形成極為複雜的神經網絡。同時,大腦與電腦不同,不存在「關機」時間,會24小時不間斷地工作。即使身處睡眠時,大腦也仍然在運作。以及,從演化學的角度來講,大腦是一個非常古老的器官,張偲偲博士將它比喻為「一件穿了很多年的衣服」,因為大腦如今的樣子並非一撮而就,而是在「縫縫補補又三年」的漫長演化歷程中,不斷地變化、適應、和調整。

大腦分為兩個半球。每個半球的主要結構包括:

  • 額葉:負責解決問題、自我控制、個性塑造;頂葉:負責語言拼寫、數學能力
  • 顳葉:管理聽覺和記憶;枕葉:負責視覺;
  • 以及重要的腦區:中央溝——有負責控制運動的運動皮層,和控制感官的直覺皮層。 

然而,兩個半球也不完全相同,左右腦會有一定的分工,如左腦更注重局部和細節,右腦更多關注整體。當某個半球受到損傷後,另外一個半球也可以作為後備,逐漸負責起已損壞半腦的原先功能,但效果可能不及主管腦。最後,左右腦中間有胼胝體作為連接,使得我們用腦時兩邊的能力都可以具備。

大腦各區域的功能(圖片來源:Dana Foundation)

人腦學習比人工智能有效

Stanislas Dehaene認為,對比當下人工智能的學習模式,人腦的學習模式仍更有效。據當下研究,人腦的主要學習方式有三種。

首先,人腦會使用監督學習,及通過總結每次嘗試中得到的錯誤和反饋(Error Feedback),調解行為和模式,從而改善下次的嘗試,達到提升學習的目的。負責監督學習的主要是小腦和與小腦有連接的部分大腦區域。監督學習的模式也廣泛地被應用於人工智能的學習中(e.g. LeNet algorithm),也會通過大量的訓練和錯誤反饋來提昇運行能力。

第二種學習方式是強化學習,及通過任務完全後的結果帶來的獎勵(reward)來刺激學習過程。例如在剛剛學騎車時,能夠保持平衡不摔倒就是一種“成功”的結果,這會另大腦分泌出快感,給學習者帶來「獎勵」的體驗感。因此許多初學者在學習一樣新技能時可能會十分上癮,因為在初步學習中,會不斷地取得階段性的“成功”和“獎勵”,並給學習者帶來極大的快感。負責強化學習的大腦區域是基底神經節,和與基底神經節有連接的部分大腦區域。人工智能中強化學習的例子包括AlphaGo(打敗世界冠軍的圍棋人工智能),因為圍棋是一項論結果成敗的活動,因此屬於強化學習。

第三中學習方式是無監督學習,即沒有當下反饋的學習,體現在人類會在日積月累的經驗和體驗中學習到知識,如語言的學習就是在一個環境中聽到許多次重複的發音方式後,便可以學習到的技能。體現無監督學習效果的是大腦皮層中神經元之間的連接強度,不同的事物,會激發不同神經元之間的連結,而當被激活的次數越多(如長期不斷地聽到某種語言),這類神經元之間的連接便會加強,形成更強大的能力。同樣,如果長期不被激活,神經元的連接也會衰弱。無監督學習在人工智能中的體現,書中並沒有提到。

整體對比而言,當下人工智能相較人腦,學習事物仍停留在表面,不能對抽象的事物有「透過表面看本質」的能力。再者,人工智能的學習需要非常大量的數據進行大量的訓練,而人腦對於事物可能只需要幾次,甚至一次便可以學會。以及,人工智能彼此之間尚不能相互學習,而人類提升學習的重要方式便是社交學習,及通過模仿他人,或接受他人傳授的知識。最後,人工智能尚缺乏舉一反三的能力,習得的知識只能用於解決非常針對性的問題,而不能應用到更廣泛的領域中。


天注定 還是 靠努力?

關於學習的能力和結果取決於先天還是後天的爭論一直很多。先天(Nature)主要指基因賦予人的能力和特性。後天(Nurture)主要指出生後環境和人為的行為對人構成的一系列影響。 Stanislas Dehaene指出兩者在人類學習中啟到不同的作用,二者並非對立,而是都很重要。

隨著科技的不斷進步,神經科學領域對嬰兒和胎兒的研究也步步深入。現有的研究方法包括測量胎心跳;觀測新生兒吮吸頻率和強度;針對幾個月大嬰兒的轉頭反應測試;用眼動儀追踪視覺變化;以及用腦電圖(EEG)、腦磁圖(MEG)、核磁共振(MRI)等精密儀器測量嬰兒的腦部神經活動。

通過一系列的觀察和實驗,我們發現嬰兒的頭腦並不是「一張白紙」,而是本身就具備了許多演化過程中,人腦積累並繼承的能力和知識框架。換言之,人的學習並不是單純依靠後天教育而實現的「從無到有」的過程,而其實是一個「從小到大」的過程,是在已繼承的知識和能力框架上做細節的提升。人腦先天具備的知識主要分為五種:

第一,對於物體守恆(Object Concept)的認知能力。通過藏球實驗,即將數月大嬰兒的玩具球藏到板子後面,並將板子放倒,嬰兒即使看不到球體本身,但看到凸起的板子仍然可以認知到球的存在,然而如果板子完全平倒在地上,彷彿球體憑空消失了,嬰兒則會表現出驚訝。這說明,嬰兒對於物體的守恆(即便在不可視的情況下)也已經有了概念和預期。

嬰兒先天已有物體恆存 (Object permanence) 的概念

第二,嬰兒對於數量具備先天的概念(Number Sense)。實驗表明,嬰兒會對眼前物體的數量和聽覺中重複聲音的次數做出數量上的判斷。以及,通過分次往不透明的箱子裡放入或拿出一定數量的物體,嬰兒也可以認知箱子中物體數量的加減趨勢。

第三,嬰兒天生可以認識概率的概念(Intuition of Probabilities)。當實驗者從不透明的盒子中分次拿出不同顏色的球(如拿出兩次紅球,一次白球),嬰兒便可以推論出盒子裡紅球與白球的比例是二比一。

第四,嬰兒對於人臉的樣子有識別能力。當給嬰兒出示普通人臉的照片,嬰兒會表現出更多的傾向性,而當把五官的位置進行打亂,嬰兒則會失去興趣。這種傾向性在未出生的胎兒中便有體現,當胎兒在母體中數月已經可以看見模糊的光亮時,實驗則表明嬰兒更傾向看到倒三角(人臉型)而非正三角的排列圖形。

第五,嬰兒對於語言有著先天的分辨和學習能力。當胎兒在母體中六個月時,聽力系統便已發展成熟。在羊水和母體的隔離下,嬰兒可以模糊地聽到外界聲音的頻率、節奏、和音高,並開始進行認知。胎兒最多聽到的聲音是母親的聲音(因為相處時間最長,以及母體聲音傳到胎兒是未經肚皮相隔的所以更加清晰),所以新生兒對於母親的聲音和母語語言都表現出更明顯的喜愛。再者,通過觀察嬰兒的哭聲的韻律,科學家們發現嬰兒哭聲韻律的不同不僅是用於傳達不同的信息(如要求餵食和換尿布的哭聲不同),嬰兒的哭聲也和其母語的韻律有相似性。法語和德語的發音重音有前後之別,當地胎兒的哭聲的韻律也因此有前後重音的分別。雖然對於母語韻律的掌握是後天習得的,但是可以確定的是,胎兒和嬰兒學習和模仿語言的能力是天生的。

以上的五項知識和能力是人腦與生俱來,不受後天環境的差異影響。總結之下可以得出,大腦的成熟機制是一個完全先天的過程,是漫長演化之後留下的結果。2014年的諾貝爾生理或醫學獎的獲獎發現中更表明,大腦細胞有自我組織的能力,即大腦外修皮層的六邊形結構的網格細胞(Grid Cell)——是不受環境影響而激活,而可以自我組織和激活的。這一發現再次證明了大腦具備的一系列能力並非後天所能影響的。

就算在子宮完全黑暗的環境,大腦也會因應基因的指令發育。而發育的成熟程度體現在大腦皮層皺褶的褶疊程度。而無維度的平均曲度(Dimensionless mean curvature, K*)是用以量度褶疊程度的指標。(來源及參考:Mechanics of cortical folding: stress, growth and stability

然而後天的培養和訓練的影響也不容小覷。因為即使人人天生的大腦能力相差無幾,後天卻形成了能力上更大的差別,這種差別是後天學習可以影響的。例如研究發現,出租車司機們的海馬區(負責空間記憶)因為經常被訓練,所以比普通人更加發達。後天影響的可能性建基於大腦的神經可塑性(Brain Plasticity),而且年齡越小可塑性越強,後天訓練的效果和影響也都會越大。例如觀察發現,幼時喪失了半腦的孩子,在長大後的基本認知能力和常人相差無幾,因為幼時大腦的可塑性很強,所以可以彌補缺失了的半腦的能力。

綜上可見,嬰兒的頭腦並不是「一張白紙」,先天的基因奠定了人腦發展的基本框架和能力,然而細節發展上的差異取決於後天的訓練和環境。

提升學習的秘訣

書中根據大腦的研究,提出了大腦學習的四大支柱(Four Pillars of Learning),分別為專注力、主動性、錯誤反饋、和鞏固(Attention, Active Engagement, Error Feedback, Consolidation)。由於前三者比較老生常談,張偲偲博士在此礙於時間原因主要講解了第四支柱——鞏固。

學習者從初學閱讀時,會時常因遇到長一點的詞句閱讀的很吃力,並打亂閱讀的節奏,但隨著學習時間的漸長,三年級的學生相較一年級的學生,已經不會被詞語的長度影響閱讀的速度。這個從艱難的初學階段逐步提升到「本能」地應用知識的過程即為鞏固的過程。

提升鞏固能力十分重要的,但時常被忽視的,就是睡眠。當人進入睡眠時,一天的經驗和知識會被快速的重播重放,啟到加深印象,鞏固記憶的效果。而且不止會重複以知的想法,有時已知的知識在重複中會進行交疊,因此由此產生新的想法,因此許多人在睡眠過後可能會對睡前做不出的題或想不出的創意有了靈感迸發的感覺。

調查發現具有認知障礙的患者相較常人睡眠水準較差。然而在張偲偲博士針對香港學生進行的調查中發現,認知障礙人群和普通學生的睡眠水平相當,且在考試前夜,普通學生的睡眠水平較差。這個發現是源於不同地區和人種之間天生的睡眠差異,還是源於一些社會因素(如香港學生受到的壓力較大導致睡眠質量下降)仍有待進一步確認和研究。但張偲偲博士也在此呼籲大家注重充足且健康的睡眠,認識到好的睡眠對鞏固知識不可或缺的重要性。

以及,注意力和主動性都可以通過後天的塑造進行提升。學習樂器、語言和其他諸多項目都可以提高人的專注力。主動性的來源在於動力和好奇心,而好奇心其實是一種多巴胺分泌帶來的快感,而學習中等難度的、具備一定挑戰性的事物最適合激發好奇心。值得注意的是,好奇心驅動的學習不等同於完全放任式的學習(pure discovery-based learning),小孩子的學習仍然需要適當的指導和信息的提供,單憑個人的摸索很超越人類通過數千年的總結和繼承的知識。

講座的最後張偲偲博士也與聽眾們進行了豐富的問與答環境。關於如何後天提升學習能力,許多同學都表達了好奇。例如香港作為一個多語種環境,學習多種語言是否會對人的認知能力所有提升?張偲偲博士的回復是肯定的。對於雙語或多語的學習,不僅可以讓人的認知能力得到提升,在學習更多語言,或整體的專注力上多語者相較於單語者都有更好的表現。以及張偲偲博士提到學習多種語言可以延長大腦神經可塑性的時間窗,提供更多提升的時間,同時在對比多語者和單語者長者的實驗中也發現,多語者長者的腦退化相較單語者更晚幾年。

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