【导语】
在城市中漫无目的地闲逛，或在新的商场里随意探索，可能看起来学不到什么东西，但最新研究表明，这种无目的探索的行为可能在我们大脑的学习过程中扮演重要角色。钟林博士主导的研究团队通过同时记录数万个神经元的活动发现，即使没有特定任务或目标，学习仍可能发生。这个有趣的结果最终发表在Nature杂志上。
该研究发现，当动物探索环境时，负责处理视觉信息的大脑视觉皮层的神经元会对视觉特征进行编码，从而在脑海里构建出一个模型来表征外部世界。当出现更具体任务时，这些提前构建的信息能够加速相关的任务学习。
观察无监督学习
钟林博士主导的团队设计实验：让小鼠在具有不同视觉纹理的虚拟现实的直线走廊中探索，不同的纹理代表不同的环境，类似于现实世界。一些视觉纹理与奖励相关，而另一些则不相关。在小鼠掌握实验规则后，钟林博士对实验进行了微调，改变视觉纹理和奖励出现的位置。
经过数周的实验，团队观察到动物视觉皮层神经活动的变化。然而，他们很难解释观察到的神经可塑性——神经可塑性通常来源于神经元之间连接的改变且是学习和记忆发生的基础。他们最终提出一个问题：任务学习本身是否对神经可塑性的发生是必要的？因为不排除这种可塑性可能仅仅随着动物对环境的自主探索——也就是所谓的无监督学习，就可以发生。
当研究人员利用无监督学习来测试时，他们发现即使小鼠没有进行任务学习时，视觉皮层的某些区域仍在学习编码视觉特征。当引入具体任务时，皮层的其他区域才会作出响应。
此外，研究人员发现，相比仅在任务上接受训练的小鼠，那些在虚拟走廊中探索数周的小鼠，可以更快学会将视觉纹理与奖励联系起来。
钟林博士表示：“这意味着并不总是需要老师教你，你仍然可以在无意识中学习周围的环境，而这种学习可以为未来需要用到这些信息的时候做好准备。我感到非常惊讶。我从博士阶段开始就做行为实验，从没想到不训练小鼠学习任务，也能观察到相同的神经可塑性。”
理解大脑如何学习
该研究发现，视觉皮层中不同区域负责不同类型的学习：一种是无结构、基于探索的无监督学习；另一种是有指导、以目标为导向的监督学习。研究表明，当动物学习某项任务时，大脑可能同时使用两种算法——无监督用于用于提取特征，监督学习用于赋予这些特征意义。
这些发现有助于我们更深入理解大脑的学习机制。尽管以往关于视觉皮层的研究主要集中于更具指导性、目标导向的监督学习，但该新研究为探索可能是大脑学习的主要方式——无监督学习算法——打开了新大门。同时，它也为进一步研究提供了可能性，例如不同类型学习如何相互作用，以及环境视觉模型如何与大脑其他区域的空间模型整合。
原文链接：Unsupervised pretraining in biological neural networks | Nature
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