Songbird数据为学习感觉运动技能提供了新的理论

鸣鸟学会以类似人类学会说话的方式唱歌 - 通过聆听他们的父亲并试图复制声音。鸟的大脑向声音肌肉发出命令，唱出听到的声音，然后大脑继续尝试调整命令，直到声音回应父母发出的声音。

在感觉运动学习的这种反复试验过程中，一只鸟不仅记得最好的命令，而且还记录了一整套可能性，埃默里大学的科学家们进行了一项研究。在对科学的美国国家科学院院刊(PNAS)发表的研究成果，其中包括感官的错误中学习分布的新的数学模型。

“我们的研究结果表明，即使完美的神经命令也不会每次都能产生正确的结果，”埃默里生物物理学教授，该论文的高级作者Ilya Nemenman说。“动物，包括人类，在学习某些东西时，想要探索和追踪各种可能性，以弥补变异性。”

Nemenman使用学习摆动网球拍的例子。“你很少会在球拍的确切甜蜜点击球，”他说。“每天当你拿起球拍来挥杆时，你的身体会有所不同，因为你的身体不同，球拍和球是不同的，环境条件也不同。所以你的身体需要记住一系列命令，以适应这些不同的情况，并让球到你想要的地方。“

该研究的第一作者是物理学研究生周宝华。共同作者包括David Hofmann和Itai Pinkoviezky(物理学博士后研究员)和生物学副教授Samuel Sober。

传统的学习理论提出动物使用感觉误差信号来基于其周围可能的误差的正态分布 - 最佳运动命令 - 所谓的钟形曲线。然而，这些理论无法解释行为观察，即小的感觉错误更容易纠正，而较大的感觉错误可能会被动物完全忽略。

对于PNAS论文，研究人员分析了以前与Sober实验室合作收集的孟加拉雀类的实验数据。该实验室使用雀类作为模型系统来理解大脑如何控制复杂的声音行为和运动行为。

微型耳机定制适合成年鸟类，并用于提供听觉反馈，其中鸟类感知它的声音可以被操纵，取代鸟听到的 - 它的自然听觉反馈 - 与操纵版本。这些鸟会试图纠正他们听到的音调，以匹配他们试图制作的声音。实验使研究人员能够记录和测量鸟类感知的声音误差大小与大脑校正特定大小的概率之间的关系。

研究人员对这些数据进行了分析，发现校正误差的可变性并没有如前所述的钟形曲线的正态分布。相反，分布具有长尾变化，表明动物认为即使是电机指令的大幅波动有时也会产生正确的音高。研究人员还发现，这些鸟类将他们关于运动命令和音高之间关系的假设与他们的大脑在唱歌时从他们的耳朵收到的新信息相结合。事实上，他们做得非常准确。

“这些鸟不只是试图以最好的方式唱歌，而是似乎正在探索和尝试各种变化，”Nemenman说。“通过这种方式，他们学会纠正小错误，但他们甚至不会尝试纠正大错误，除非大错误被分解并逐渐建立起来。”

研究人员为这一过程创建了一个数学模型，揭示了小错误如何得到快速纠正的模式，大错误需要更长时间才能纠正，并且可能完全被忽略，因为它们与动物对其感觉运动系统错误的“信念”相矛盾。可以生产。

“我们的模型为动物如何学习提供了一种新理论，这种理论允许我们对我们通过实验测试的学习进行预测，”Nemenman说。

研究人员现在正在探索这种模型是否可用于预测其他动物的学习，以及预测更好的康复方案，以解决对其学习行为造成严重破坏的人，例如从中风中恢复时。

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