如何一心二用？一起了解大腦多任務(wù)處理背后的神經(jīng)生理機制
人類能快速執(zhí)行新任務(wù)，但在同時做兩件事時表現(xiàn)出普遍的性能成本。傳統(tǒng)上，對這種多任務(wù)干擾來源的研究主要集中在與其他認知功能隔離的多任務(wù)處理上。
近日，Kelly G. Garner & Paul E. Dux兩人在Nature Reviews Neuroscience雜志上發(fā)表了最新的研究成果“Knowledge generalization and the costs of multitasking”，他們研究多任務(wù)成本是否與知識泛化能力相關(guān)。作者展示了這兩個認知方面背后的神經(jīng)生理機制。這些神經(jīng)機制解釋了為什么大腦表現(xiàn)出快速的任務(wù)理解、多任務(wù)處理限制和練習(xí)效果。簡而言之，多任務(wù)限制是我們?yōu)樾袨殪`活性付出的代價。
人類將學(xué)習(xí)推廣到新環(huán)境的能力和多任務(wù)中管理多個并發(fā)任務(wù)的能力，一直是科學(xué)家們非常感興趣的話題。盡管這兩個認知特征在很大程度上被視為不同的實體，但最近的信息處理模型表明，知識泛化和與多任務(wù)處理相關(guān)的性能成本可能反映了同一枚硬幣的兩個方面。
多任務(wù)成本
當(dāng)人們需要執(zhí)行多項感覺運動任務(wù)時，他們更容易出錯并且在它們之間切換時更慢完成每項任務(wù)。在一個簡化的多任務(wù)實驗中，參與者學(xué)習(xí)完成兩個反應(yīng)時間選擇任務(wù)，其中許多不熟悉的刺激與按鍵等響應(yīng)配對（圖1）。這些任務(wù)單獨呈現(xiàn)為單個任務(wù)，或在時間上很接近地呈現(xiàn)為多任務(wù)。參與者被要求盡可能快速準確地完成這兩項感覺運動選擇任務(wù)。
當(dāng)兩個任務(wù)同時執(zhí)行時（圖1a），即使任務(wù)在感覺輸入或響應(yīng)輸出模式中不重疊，也會發(fā)現(xiàn)準確性和反應(yīng)時間成本。然而，經(jīng)過數(shù)千次實踐試驗，特定任務(wù)配對的相關(guān)多任務(wù)反應(yīng)時間成本可能會從數(shù)百毫秒減少到數(shù)十毫秒（圖1b）。
因此，人類足夠復(fù)雜，可以快速獲得新的抽象關(guān)系，但會因簡單的多任務(wù)處理而產(chǎn)生性能成本。新任務(wù)的成本更高，但實踐帶來的明顯專業(yè)化也減輕了性能成本。
圖1.多任務(wù)處理在實驗室中的性能限制和實踐特異性
回路和計算
對知識泛化的神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)的研究具有挑戰(zhàn)性，因為泛化可以在一次試驗或幾次試驗中實現(xiàn)。之前的研究人員教導(dǎo)參與者將面部、動物和物體等類別與不同的獎勵結(jié)果概率相關(guān)聯(lián)，其中每個類別的預(yù)期值取決于山脈、田野或瀑布所描繪的環(huán)境背景（圖2）。
在這種情況下，切換到新的上下文可以提供一個可重復(fù)的泛化實例，因為參與者適應(yīng)了新的示例，例如以前看不見的山。可以將上下文切換后前幾次試驗的表現(xiàn)和大腦活動與該上下文中的后續(xù)重復(fù)進行比較，以產(chǎn)生可量化和可重復(fù)的泛化測量。
結(jié)果表明這些區(qū)域代表了抽象的刺激-反應(yīng)-結(jié)果關(guān)系（任務(wù)結(jié)構(gòu)）集合，具體取決于上下文，從而支持將知識泛化到新的范例（圖2a）。在人類中觀察到多任務(wù)處理期間 LPFC、IPS 和 SMFC 的活動增加（圖2b）。這些結(jié)果再次表明 LPFC、IPL 和 SMFC 中并發(fā)任務(wù)相關(guān)事件的表示存在一定的序列性。
圖2.對應(yīng)于知識泛化和多任務(wù)處理的皮層節(jié)點
知識泛化和多任務(wù)處理成本似乎都是由重疊的神經(jīng)生理結(jié)構(gòu)支撐的，包括 LPFC、IPL、SMFC 和紋狀體（圖3）。如果共同的計算基礎(chǔ)可以解釋兩組神經(jīng)生理現(xiàn)象，則可以為知識泛化與多任務(wù)成本的相關(guān)性提出更令人信服的解釋。
圖3.涉及知識泛化和多任務(wù)處理的重疊額-頂-層大腦區(qū)域
學(xué)習(xí)、練習(xí)和分享
經(jīng)過成千上萬次的練習(xí)后，對學(xué)習(xí)后期神經(jīng)活動的研究表明，練習(xí)行為的刻板表征神經(jīng)活動出現(xiàn)在紋狀體中。長時間的練習(xí)也降低了行為反應(yīng)的靈活性。因此，長時間練習(xí)會通過強化特定的任務(wù)規(guī)則來降低靈活性。這種壁壘也限制了知識泛化的潛力。
無論練習(xí)是否影響刺激或決定，這些行為，連同紋狀體活動可能反映，練習(xí)從最相關(guān)的輸入中創(chuàng)建了練習(xí)功能的專門分類到情節(jié)的完成（響應(yīng)）（圖4）。這與知覺學(xué)習(xí)理論相一致。
因此，只要練習(xí)輸入的激活是有用的，練習(xí)就會限制知識的泛化。這一原則可能適用于認知控制等高等功能。總的來說，這些數(shù)據(jù)表明練習(xí)改變了任務(wù)表示的性質(zhì)，這既限制了知識泛化又降低了多任務(wù)處理成本。
圖4.對實踐效果的可泛化性提出了限制
結(jié) 論
一個多世紀以來，研究人員一直關(guān)注與多任務(wù)處理相關(guān)的成本。通過關(guān)注調(diào)解多任務(wù)處理和知識泛化的神經(jīng)回路中的重疊，本文的觀點提供了對支持學(xué)習(xí)和多任務(wù)處理的神經(jīng)代碼的本質(zhì)的了解，并為未來的工作闡明了方向。
我們這個信息豐富的世界意味著只有一小部分可用信息被意識處理并用于推動行動以實現(xiàn)預(yù)期結(jié)果。為了有效地協(xié)同復(fù)雜環(huán)境，我們利用學(xué)到的和相關(guān)的意外事件將理解轉(zhuǎn)化為新的相關(guān)任務(wù)；我們?yōu)榇烁冻龅拇鷥r是較低的多任務(wù)處理性能。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41583-022-00653-x
參考文獻：
Garner, K.G., Dux, P.E. Knowledge generalization and the costs of multitasking. Nat Rev Neurosci (2022). https://doi.org/10.1038/s41583-022-00653-x
編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團隊）
校審：Simon（brainnews編輯部）
