科学家们发现了大脑如何重新定义自己来学习科学概念

人类的大脑最初是用于基本的生存任务，比如保持安全、狩猎和采集。然而，20万年之后，同样的人类大脑能够学习一些抽象的概念，比如动量、能量和重力，这些概念在过去几个世纪才被正式定义。

卡内基梅隆大学的一项新研究揭示了大脑是如何获得全新类型的想法的。发表在心理科学，科学家Robert Mason和Marcel Just使用CMU开发的神经解码技术来识别特定的物理概念当被提示时，高级学生回忆。的大脑活动模式而物理概念表明，所有学生的大脑都以同样的方式使用了古老的大脑系统，而这些模式揭示了新知识是如何形成的——通过重新利用现有的神经系统。

这些发现可以用来改善科学教学。

“如果科学教师知道大脑是如何编码一个新的科学概念的，那么他们就能以与编码相匹配的方式来定义和阐述这个概念。”他们可以通过大脑的语言来教大脑，”梅森说，他是迪特里希人文与社会科学学院心理学系的高级研究员。

梅森和赫布大学心理学教授贾斯特招募了9名高级物理和工程专业的学生参与这项研究。每个学生的大脑在CMU的科学成像和大脑研究(SIBR)中心被扫描，同时他们被展示了一组30个熟悉的概念，如重力，熵，惯性，折射和速度。

通过使用机器学习程序，梅森和贾斯特能够识别出一个学生在思考的30个概念中的哪个，因为每个概念的思维都会产生自己的大脑激活模式。他们还可以将模式分解成不同的神经单元，用于构建完整的概念。

该研究首次表明，学习物理概念是如何通过重新利用原本用于日常用途的神经结构来完成的。更具体地说，大脑能够学习物理概念是因为它能够理解四个基本概念，即因果运动、周期性、能量流和代数(句子式)表征。

大脑系统在听到马奔跑时处理有节奏的周期性，这也有助于理解物理学中的波概念。同样，理解重力需要想象因果运动，比如苹果从树上掉下来;能量流使用与感知火或太阳的温暖相同的系统;理解等式中一个概念与其他概念之间的关系也是一样的大脑系统用来理解描述数量的句子。

“这就是为什么人类能够前进和创新——因为我们可以把我们的大脑用于新的目的，”Just说。“几千年来，人类的大脑并没有发生太大的变化，但航空学、遗传学、医学和计算机科学等新领域得到了发展，并不断发生变化。我们的发现解释了大脑是如何学习和发现新概念的。”

这些发现是众多发现中的一例大脑研究卡内基梅隆大学的突破CMU创造了第一批认知导师，帮助开发了赢得《危险边缘》(jeopardy)比赛的沃森(Watson)，在神经计算方面建立了一个开创性的博士项目，是人工智能和认知心理学的诞生地。基于其在生物学、计算机科学、心理学、统计学和工程学方面的优势，CMU启动了BrainHub项目，该项目专注于研究大脑的结构和活动大脑会产生复杂的行为。

---

---