鳴鳥學會以類似人類學會說話的方式唱歌 - 通過聆聽他們的父親并試圖復制聲音。鳥的大腦向聲音肌肉發(fā)出命令，唱出聽到的聲音，然后大腦繼續(xù)嘗試調(diào)整命令，直到聲音回應父母發(fā)出的聲音。

在感覺運動學習的這種反復試驗過程中，一只鳥不僅記得最好的命令，而且還記錄了一整套可能性，埃默里大學的科學家們進行了一項研究。在對科學的美國國家科學院院刊(PNAS)發(fā)表的研究成果，其中包括感官的錯誤中學習分布的新的數(shù)學模型。

“我們的研究結(jié)果表明，即使完美的神經(jīng)命令也不會每次都能產(chǎn)生正確的結(jié)果，”埃默里生物物理學教授，該論文的高級作者Ilya Nemenman說。“動物，包括人類，在學習某些東西時，想要探索和追蹤各種可能性，以彌補變異性。”

Nemenman使用學習擺動網(wǎng)球拍的例子。“你很少會在球拍的確切甜蜜點擊球，”他說。“每天當你拿起球拍來揮桿時，你的身體會有所不同，因為你的身體不同，球拍和球是不同的，環(huán)境條件也不同。所以你的身體需要記住一系列命令，以適應這些不同的情況，并讓球到你想要的地方。“

該研究的第一作者是物理學研究生周寶華。共同作者包括David Hofmann和Itai Pinkoviezky(物理學博士后研究員)和生物學副教授Samuel Sober。

傳統(tǒng)的學習理論提出動物使用感覺誤差信號來基于其周圍可能的誤差的正態(tài)分布 - 最佳運動命令 - 所謂的鐘形曲線。然而，這些理論無法解釋行為觀察，即小的感覺錯誤更容易糾正，而較大的感覺錯誤可能會被動物完全忽略。

對于PNAS論文，研究人員分析了以前與Sober實驗室合作收集的孟加拉雀類的實驗數(shù)據(jù)。該實驗室使用雀類作為模型系統(tǒng)來理解大腦如何控制復雜的聲音行為和運動行為。

微型耳機定制適合成年鳥類，并用于提供聽覺反饋，其中鳥類感知它的聲音可以被操縱，取代鳥聽到的 - 它的自然聽覺反饋 - 與操縱版本。這些鳥會試圖糾正他們聽到的音調(diào)，以匹配他們試圖制作的聲音。實驗使研究人員能夠記錄和測量鳥類感知的聲音誤差大小與大腦校正特定大小的概率之間的關系。

研究人員對這些數(shù)據(jù)進行了分析，發(fā)現(xiàn)校正誤差的可變性并沒有如前所述的鐘形曲線的正態(tài)分布。相反，分布具有長尾變化，表明動物認為即使是電機指令的大幅波動有時也會產(chǎn)生正確的音高。研究人員還發(fā)現(xiàn)，這些鳥類將他們關于運動命令和音高之間關系的假設與他們的大腦在唱歌時從他們的耳朵收到的新信息相結(jié)合。事實上，他們做得非常準確。

“這些鳥不只是試圖以最好的方式唱歌，而是似乎正在探索和嘗試各種變化，”Nemenman說。“通過這種方式，他們學會糾正小錯誤，但他們甚至不會嘗試糾正大錯誤，除非大錯誤被分解并逐漸建立起來。”

研究人員為這一過程創(chuàng)建了一個數(shù)學模型，揭示了小錯誤如何得到快速糾正的模式，大錯誤需要更長時間才能糾正，并且可能完全被忽略，因為它們與動物對其感覺運動系統(tǒng)錯誤的“信念”相矛盾。可以生產(chǎn)。

“我們的模型為動物如何學習提供了一種新理論，這種理論允許我們對我們通過實驗測試的學習進行預測，”Nemenman說。

研究人員現(xiàn)在正在探索這種模型是否可用于預測其他動物的學習，以及預測更好的康復方案，以解決對其學習行為造成嚴重破壞的人，例如從中風中恢復時。