触及好奇心的最佳点加速学习

世界充满了值得学习的事物。从哪里开始？如何选择关注什么？是什么激励人们寻求新知识？

学习的渴望部分是对新奇事物的偏好：我们倾向于寻找新的信息和经验，这增加了我们所知道的。我们也喜欢减少不确定性。信息可以带来食物、安全、人际关系和其他物质奖励。但科学家现在认为，这些驱动力结合成一种更复杂的冲动，这种冲动可能对学习至关重要，即使在——或许尤其是在——没有即时回报的情况下。我们只是好奇。

我们通常以一种特定的方式感到好奇：我们想更多地了解我们已经了解一点的事物。“你可以将好奇心视为引导知识获取的过程，”加州大学伯克利分校的神经科学家塞莱斯特·基德说。我们会在内心跟踪我们的学习情况，或者说我们的学习进度，当好奇心高涨时，学习会更容易、更愉快。遵循我们的直觉似乎是探索世界的一种特别有益的方式。“如果你在学到东西后感到积极，那么你现在就理解了学习的乐趣，这会激励你下次学习，”德国图宾根大学的教育心理学家村山航说。

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基德和村山航是众多研究人员中的一部分，他们来自神经科学、教育、心理学和计算科学等不同领域，对好奇心感到好奇。这项新研究较少关注作为个人特质的好奇心——许多学者和艺术家都拥有这种特质，就像阅读这篇关于好奇心的文章的您一样——而更多地关注好奇心的可变状态。我们每个人都有能力产生好奇心，但什么激发并维持了它？

科学家们正在拼凑出我们通常认为的好奇心背后的大脑过程，即渴望了解的渴望。他们正在识别大脑如何专注于新奇事物、应对不确定性、触发奖励网络和巩固记忆。研究人员也开始明白为什么好奇心可能如此重要。

“显而易见的是，我们应该重视的是学习。”——认知神经科学家杰奎琳·戈特利布

这种本能有时可能是危险的——好奇心害死猫是出了名的——但总的来说，它似乎以促进生存的方式鼓励探索。剑桥大学的比较心理学家维克多·阿朱翁说，即使在目的不明确的情况下收集信息，也能让我们构建更准确的世界心理模型，他研究了老鼠、金鱼和墨鱼的好奇心元素。“这对你未来会有用，”他说。

法国国家信息与自动化研究所波尔多分部的皮埃尔-伊夫·乌德耶说，好奇心（发生在当下）与发展和进化的更长时间尺度之间的这种联系是一种新的思维方式。设定自己的目标似乎可以提高动力，让学习在挑战和挫折之间的最佳点绽放。俄罗斯教育心理学家列夫·维果茨基称之为“最近发展区”。但直到最近，人们才很少关注认知上可能发生了什么，才使得好奇心的最佳点如此，嗯，甜蜜。

所有人都知道什么是好奇心，我们通常认为这是一种积极的特质，并将其与内在动机、创造力和思想开放联系起来。有影响力的早期思想家捕捉到了重要的方面，这些方面至今仍被认为是正确的。1966年，心理学家丹尼尔·伯林认识到，好奇心可能与感知有关，例如当我们注意到视觉上的不协调，比如马群中的斑马时，它可能是特定的或广泛的。1994年，行为经济学家乔治·洛温斯坦推测，好奇心是由填补信息空白的需求引起的。

基德说，理解好奇心是如何运作的，意味着理解“人们如何形成他们对世界的信念，以及他们如何改变想法”。对好奇心的神经基础和作用进行更深入的分析，可能会向教师展示如何更有效地接触学生，使计算机科学家能够编写人工智能系统以高效学习，并减轻某些精神疾病带来的痛苦。了解如何促进对其他类型的人和文化的好奇心，甚至可能有助于使世界变得更美好。

好奇心直到现在才受到很多科学关注，因为它很难定义。所有了解的冲动都是由好奇心驱动的吗？在今年早些时候发表的一篇评论中，弗吉尼亚大学的杰米·J·吉鲁特和她的同事们认为，好奇心“必须源于对信息本身的内在渴望”。因此，例如，一个孩子问为什么会出现彩虹，如果他们刚刚看到彩虹，那么这可能是出于好奇心——但如果这个问题是由第二天的科学考试引发的，则不是。（好奇心也不是渴望知道活检结果，那更像是恐惧。）一些研究人员将信息寻求作为一个整体来研究，而没有试图区分好奇心。

好奇心有时会令人不安，甚至痛苦。例如，渴望知道魔术秘密的人已经愿意接受轻微的电击，以此作为更快满足好奇心的代价。酒吧里的争论促使吉尼斯啤酒厂的一位主管创建了该公司的同名纪录大全，然后在饮酒场所分发了第一批副本，以便立即解决未来的分歧。（你有没有想过一家啤酒公司和世界上最大的线球有什么关系？）

不过，更多时候，好奇心是令人愉悦的。研究表明，我们很乐意避开剧透，以免失去戏剧展开的乐趣。如果你错过了超级碗或《继承之战》的系列结局，你可能会想方设法避免过早知道发生了什么。如今，我们都随身携带数字参考图书馆，一旦出现令人烦恼的问题，我们就很难抗拒使用它们的需要。研究人员通过评估谷歌搜索答案的冲动强度来衡量舌尖效应，这种效应会增强好奇心。（恰如其分的是，他们也将这种感觉比作“轻微的折磨”。）

令人愉悦的可能正是对答案的期待。更高水平的好奇心会导致纹状体等区域的活动水平更高，纹状体与多巴胺的释放有关，多巴胺是最常与奖励感联系在一起的神经递质。多巴胺的联系“似乎与好奇心是一种内在奖励的观点产生共鸣，然后它肯定是一种激励因素，”哥伦比亚大学祖克曼研究所的认知神经科学家杰奎琳·戈特利布说。

为了弄清楚信息本身就是一种奖励，神经科学家不得不展示大脑如何区分物质奖励和信息。这项工作始于猴子，猴子是科学家们认为好奇心存在的第一个其他物种，他们担心人类中心主义的过度解读。（对于好奇的乔治的粉丝来说，这并不奇怪。）明尼苏达大学的神经科学家本杰明·海登和他的同事们设置了一个实验，猴子可以得到水作为奖励，研究人员让他们有机会提前知道奖励是否会来。猴子们有 80% 到 90% 的时间选择提前得到提示，甚至愿意为了知道结果而失去更大的奖励。海登说，它们实际上是在说，“我太好奇了，我现在就想要这个信息。”

祖克曼研究所的博士后研究员、心理学家詹妮弗·布塞尔进行的一项研究表明，小鼠似乎也表现出同样的倾向。此外，在猴子和小鼠中，眶额皮层 (OFC)（参与决策的早期阶段）的神经元对水奖励和预测这些奖励的线索（信息）的反应不同。OFC 神经元编码诸如水量之类的细节作为独立变量，以便稍后进行比较，这有点像将要输入到它们选择中的原材料。

“可能有一种驱动力进化而来，用于学习新事物和收集信息，因为在自然界中，对于动物来说，99% 的时间信息是有用的，”布塞尔说。“从进化角度来看，你必须推动生物走出洞穴，即使它害怕有捕食者来袭。”她说，如果大脑建立一个将收集信息和减少不确定性视为奖励的系统，“这在某种程度上解决了问题”。

华盛顿大学圣路易斯分校的神经科学家伊利亚·莫诺索夫等人 2024 年的一项研究表明，为了反映好奇心的进化意义，获取 OFC 神经元编码的原始材料并将两种不同类型的价值（信息和物质奖励）整合在一起的工作，发生在位于中脑的一个叫做外侧缰核的小而古老的结构中。莫诺索夫说，外侧缰核存在于许多物种中，它评估可能的动机的相对重要性。“在你的日常生活中，你很少仅仅根据物质奖励或二级奖励（如金钱或单独的信息寻求）来做决定，”他说。相反，我们的大脑会进行复杂的工作，比较我们的具体需求和我们的好奇心——我应该现在睡觉并获得充足的睡眠还是读完这本侦探小说？——并权衡两者。

大脑的其他部分也在与不确定性作斗争。在 2024 年的一项研究中，戈特利布和她的同事通过让参与者观看动物和无生命物体的图像集（如海象和帽子）来探索感知好奇心。大脑显然区分了有生命物体和无生命物体，其神经元信号被戈特利布称为相当于“条形码”，研究人员希望使用这一特征。图像的清晰度也各不相同，从容易识别到完全神秘。当人们对他们所看到的东西充满信心时，他们大脑视觉部分的条形码会闪烁清晰的信号：有生命或无生命。但是，当人们不确定时，信号会介于两者之间。当来自视觉区域的信号到达额叶皮层（决策发生的地方）时，它们会触发信心或好奇心。“他们大脑的视觉部分越不确定，人们就说他们越好奇，”戈特利布解释说。

好奇心还启动记忆回路，以便更好地保留新信息。在 2014 年的一项研究中，参与者被提出一些琐事问题——披头士乐队哪张单曲在排行榜上停留的时间最长？地球上唯一已知有方形树干的树木在哪里？——并对他们对答案的好奇程度进行了评分。（别担心，我会在最后分享答案。）然后，在功能性磁共振成像仪中，他们必须等待 14 秒才能得到这些答案。在等待期间，他们看到了面部的中性图像。后来，人们能够更好地记住那些激发了他们好奇心的问题的答案——而且，奇怪的是，他们也更有可能回忆起与这些问题配对的面孔。大脑成像显示，海马体的活动增加，这对创造记忆至关重要。威尔士卡迪夫大学的马蒂亚斯·格鲁伯是该研究的主要作者，他称好奇心为“漩涡”，它不仅吸引了你想知道的东西，还吸引了周围的偶然信息。

任何经历过孩子连珠炮似的“为什么”问题的人都知道，孩子们拥有强大的好奇心。他们好奇的大脑回路的基本要素似乎很早就存在了。基德认为，研究婴儿的好奇心表明，这些回路已经准备好指导人一生中的知识获取。婴儿受驱动最大化地从环境中学习，并且似乎认识到令人惊讶的事件代表着机会。他们对信息量大的刺激表现出强烈的偏好——人脸比玩具卡车更具吸引力，婴儿导向的语言比非人类声音更具吸引力。婴儿也对任何新事物都感兴趣。即使是还不会说话的婴儿也意识到他们知识中的空白。基德发现，当孩子们不确定时，他们会继续尝试学习更多，并存储他们所学到的东西。一旦他们觉得自己理解了某件事，他们就会失去兴趣。

在 2012 年一项有影响力的研究中，基德和她的同事向七到八个月大的婴儿展示了物体从盒子中弹出的动画场景。她使用眼动追踪器来测量场景吸引婴儿注意力的时间，发现他们更喜欢观看复杂度中等的场景。不太可预测，又有点令人惊讶，结果恰到好处。（研究人员称之为“金发姑娘效应”。）在 2022 年的一篇论文中，基德和她的同事观察到猴子也表现出对中等复杂度的相同偏好，这表明这种偏好是普遍存在的。

中等复杂度的信息——带有恰到好处的趣味性——的吸引力，作为学习磨坊的素材是有道理的。它似乎代表着一个以易于理解的方式增加我们已知知识的机会。为了检验学习进度是好奇心难题的一部分这一想法，乌德耶采取了非同寻常的步骤，将好奇心引入计算机。“构建好奇的机器在 20 年前是新奇而奇怪的，”他说。但这可能是应对巨大挑战的有效方法，甚至可能像有一天到达另一个星球一样。

当然，计算机不是好奇的生物；它们是由电线、马达和传感器组成的。2016 年，当谷歌 DeepMind 通过构建一台在复杂的中国围棋游戏中击败了 18 次世界冠军的计算机而登上头条新闻时，那台计算机仍然依赖于尖端的搜索能力和输入其中的关于可能走法的数据。但随着人们在构建人工智能方面取得进步，他们开始询问是否有更好的方法让计算机学习复杂的事物。一个答案是赋予它们好奇心——或者模拟好奇心驱动探索背后的思维模式的程序。这正是乌德耶和他的同事所做的。

机器人 Torso 有一个蓝色头部、蓝色手臂和一个蓝色上半身，连接到一个木制底座上，它被编程为像孩子一样探索周围环境。它通过玩弄物体来学习物体是如何相互作用的。两个操纵杆安装在 Torso 的底座上。在咖啡桌上，一个环形照明的圆形围场内有一个网球和一个名为 Ergo 的小型机器人，Ergo 看起来像一盏粗短的台灯。

与人类和其他动物不同，机器人可以被编程来模拟理想智能体的行为，并测试关于我们如何探索的流行理论。我们是否跟踪预测误差——也就是说，我们对结果的猜测有多正确或多错误？是的，但是一个被编程为只做这件事的机器人会被它自己在不相关的方面（想象一下在一个窗户前反复挥手，以了解每个手臂运动与外面经过的汽车的颜色之间的关系）的运动分散注意力。我们是否专注于新奇事物或不确定性？是的，但如果没有其他动机，这些会导致机器中出现随机和无组织的行为。

当被编程为追求好奇心时，Torso 学习得最快、效率最高。机器人可以产生运动并感知其环境，并被指示找到两者之间的相关性，尽管没有具体目标。相反，Torso 要寻找学习机会并跟随它们的方向。“它基本上被告知，你唯一的目标是尝试找到你可以取得进展的目标，”乌德耶说。实际上，随着 Torso 获得知识，它会说类似这样的话：嗯，这很有趣，让我们以此为基础。这是强化学习或练习的算法版本。“孩子需要练习才能学习，”乌德耶说。“是什么使它成为练习？是它的动机系统。好奇心是动机系统的基本维度之一，它推动生物体探索和学习新事物。”

当以这种方式编程时，Torso 首先移动了它的左手——很多次。然后它发现了左操纵杆，并向前、向后、向左和向右移动它。最终，它将移动操纵杆与移动 Ergo 联系起来，Ergo 移动了球。移动球将灯光的颜色从蓝色变为黄色再变为粉色。经过 15 到 20 个小时的探索，Torso 弄清楚了如何向各个方向移动 Ergo，如何移动球以及如何点亮围场。令研究人员惊讶的是，机器人甚至弄清楚了 Ergo 灯状手臂末端的杯子可以覆盖球并有效地隐藏它，Torso 随后就这样做了，看起来非常像在人行道上向人群兜售空壳游戏的骗子。

此类实验证明了好奇心和学习之间存在积极的反馈循环。“专注于既不太容易也不太困难的学习活动，那些你在速度上获得最大提高的学习活动，这将逐步引导你进行越来越复杂但又可学习的活动，”乌德耶说。

Torso 的进步与孩子们在学习工具或语言时使用的发展轨迹非常相似。随着大脑继续发育，它处理好奇心的方法也变得更加复杂。2024 年对 100 多名四岁儿童进行的一项研究发现，他们在玩触摸屏游戏时，依靠学习进度以及新奇事物进行探索。格鲁伯发现，与年龄较小的儿童相比，青少年能够更好地处理认知冲突（即不确定性）并评估前额叶皮层较高级区域的传入信息。

至于成年人，我们徘徊在一个最佳点，基德说。“我们更愿意观看更多我们了解角色[并且]对情节有所了解的节目的剧集，而不是开始全新的节目，”她说。即使在参与者付费以保持好奇心的研究中，他们的大脑对那些超出这种令人满意的心理场所的事物也并不十分好奇。但是，当他们深深投入到有时被称为心流状态的状态中时，学习进度正在引导他们。它显然滋养了他们的好奇心。

在 2021 年发表在《自然·通讯》上的一项实验中，乌德耶和戈特利布（他们是经常合作者）以及他们的同事创建了一套四个在线游戏。每个游戏都有一系列怪物，这些怪物在大小、颜色、眼睛数量等方面各不相同。目标是什么？发现决定八种食物中每种怪物家族喜欢吃哪种食物的隐藏规则。最简单的游戏有一个一维规则：高个子家庭成员喜欢披萨，矮个子家庭成员喜欢西兰花。另外两个游戏具有逐渐复杂的规则，这些规则更难掌握：例如，在二维游戏中，高个子、三只眼的怪物喜欢披萨，矮个子、两只眼的怪物喜欢西兰花。第四个游戏没有规则；它是完全随机且无法学习的。

问题是，近 400 名玩家将如何组织他们的探索以找出规则。他们如何才能既好奇又高效？正确的猜测是有益的，错误是有启发意义的，但是人们是否会监测他们学习了多少，并使用这些信息来决定下一步该做什么？在这种情况下，是的，他们做到了。参与者监测了他们的正确回答百分比以及他们随时间的进步。“显而易见的是，我们应该重视的是学习，”戈特利布说。换句话说，仅有高度确定性不如高不确定性和低不确定性之间的过渡有用。好奇心正是帮助我们实现这种转变的原因。

但是好奇心也会随着时间而改变。尽管传统观点认为，随着年龄的增长，人们的好奇心会降低，但研究表明，更准确地说，好奇心会适应人们对世界的了解。当您走进巴黎卢浮宫时，您是更倾向于逛完所有展厅，确保参观最受欢迎的展品？还是更喜欢在一个侧厅里迷失一个小时？图宾根大学的村山航说，您的选择很可能取决于您的年龄。在他对伦敦科学博物馆近 500 名年龄在 12 岁至 79 岁之间的参观者进行的一项实验中，他发现年轻人采取了广泛的方法，而老年人采取了更窄但更深入的方法，在一个公民科学展览中查看了更多关于较少主题的事实。“老年人拥有更多的知识，而知识确实是好奇心的驱动力。”

随着科学家们对好奇心有了更好的理解，他们也可能更好地理解一些精神健康障碍，在这些障碍中，好奇心的回路可能会受到干扰。例如，在抑郁症中，好奇心会受到抑制，而在强迫症中，减少不确定性的愿望会压倒一切。

这项研究在课堂上具有更直接的意义。众所周知，好奇心对学习成果和学生的乐趣具有积极影响。目前正在进行多项努力，以利用新发现来加强这两件事。2024 年，法国政府开始向小学生提供基于乌德耶工作的同行评审教育技术。该程序会生成由每个孩子想要学习的内容驱动的个性化问题。与教师手工创建的材料相比，人工智能设计的材料带来了更高效的学习和更高的学生积极性，因为它们建立在孩子自身的兴趣之上。

可能也有一些有用的方法来提高成年人的好奇心。一些研究人员正在研究基于学习进度的计划，以帮助老年人磨练他们的注意力技能。但任何人都可以利用最佳点，基德说。“仅仅理解拥有一些知识将使获取更多知识变得更容易就很有帮助，”她说。它可以让你“坐下来，尝试更多地关注第一本书，让你能够突破”进入一个新学科。

理解自信和好奇心是相关的，这可能会影响您对我在这个故事中散布的琐事小知识的好奇程度。也许您知道卢浮宫最受欢迎的展品是《蒙娜丽莎》，或者猜到披头士乐队最持久的热门歌曲是《Hey Jude》。但我怀疑您对那些形状奇特的树木非常好奇。是的，确实有方形树干的树木——在巴拿马的安东山谷。