脑研究人员已经确定了丘脑和皮层之间的桥梁作为运动学习功能中被修改的关键区域。他们发现，这种学习不仅仅是调整活动水平，它还雕刻了电路的连接，优化了大脑区域之间的交流。
一个由加利福尼亚大学圣地亚哥分校的科学家们发表的里程碑研究正在重新定义科学对学习发生方式的理解。这些发现发表在《自然》杂志上，并得到了国家卫生研究院和美国国家科学基金会的支持，提供了有关大脑连线在学习期间变化的新见解，为帮助神经系统疾病的新疗法和技术提供了路径。
多年来，神经科学家将大脑的初级运动皮层（M1）——一个位于额叶区域的区域——作为发送与复杂运动相关信号的中心，特别是在学习期间。最近，位于大脑中心的运动丘脑被认为是影响M1在运动学习功能中的一个区域。
但是即使有这样的进展，关于这个学习过程是如何展开的证据仍然缺乏，这主要是由于监测大脑区域之间细胞互动的复杂性。
由小宫山教授的实验室带领的一个研究团队首次使用强有力的神经生物学研究技术描述这些机制。在高科技成像和一种新型数据分析方法的帮助下，研究人员确定了丘脑皮层通路，这是一条连接丘脑和皮层的沟通桥梁，在学习过程中被修改的关键区域。
除了确定主要通路之外，研究人员发现不同区域之间的连接在学习过程中发生了物理变化。运动学习不仅仅是调整活动水平，它还雕刻了电路的连线，从细胞层面优化了丘脑和皮层之间的交流。
“我们的发现表明，学习不仅仅是局部变化——它重塑了大脑区域之间的交流，使其更快、更强、更精确，”研究的主要作者、科美山实验室的博士后学者阿萨夫·拉莫特说。“学习不仅改变了大脑所做的事情——还改变了大脑如何被连接来做到这一点。”
在这项研究中，小鼠学习特定的运动，揭示学习导致丘脑和皮层交互的集中重组。在学习期间，发现丘脑激活了M1神经元以编码学习到的运动，并停止了与正在学习的运动无关的神经元的激活。
“在学习期间，这些并行而精确的变化是由丘脑激活特定子集的M1神经元产生的，这些神经元随后激活其他M1神经元以生成学习到的活动模式，”小宫山教授说，他在神经生物学（生物科学学院）和神经科学（医学院）系任教，并在哈利乔格数据科学研究所（计算、信息与数据科学学院）和卡夫利大脑与思想研究所任职。
为了将特定神经元的活动聚焦起来——这是该研究的关键见解——研究人员与神经生物学助理教授马库斯·本纳和研究生费利克斯·塔斯巴赫共同开发了一种新的分析方法，称为ShaReD（共享表示发现）。
根据塔斯巴赫的说法，识别在不同个体之间普遍编码的行为是一个重大挑战，因为行为及其神经表示在动物之间可能有显著差异。为了应对这一问题，研究人员开发了ShaReD，它识别与不同个体神经活动相关联的单一共享行为表示，使他们能够将微妙的行为特征映射到每个动物中不同神经元的活动上。
现有的方法通常迫使人工对齐以减少个体变异——类似于要求每个人都严格遵循同一条路线到达目的地。相比之下，ShaReD的功能更像是识别哪些地标始终有助于旅行者导航，而不管他们的具体路线选择。ShaReD方法对研究的发现至关重要。
“这种新方法使我们能够合并来自多个实验的数据，进行详细的发现，而仅使用单个大脑中记录的有限数量相关神经元无法实现这些发现，”本纳说，他是一名计算神经科学家，也是这项研究的共同通讯作者。
这项新研究是小宫山实验室最近开展的第二项研究，阐明了我们大脑的学习方式。在四月份，威廉·赖特、内森·海德里克和小宫山在《科学》杂志上发表了一项研究，描述了神经元在学习期间遵循的多种规则，不同区域的突触遵循不同的规则。
通过《自然》研究的发现，研究人员进一步推动了科学对学习过程的理解，提出了一个新的综合模型，解释学习过程中支配学习运动的神经电路是如何出现的。新信息也为那些遭受神经系统疾病的人带来了希望。
“这项研究表明，学习不仅仅是重复，”拉莫特说。“它是大脑以有针对性的方式重塑自身。不论你是在学习一项新技能，还是在中风后恢复，或是使用神经假体，理解大脑区域如何重组他们的沟通有助于我们设计出更好的疗法和技术，能够与大脑的自然学习机制相辅相成。”
这篇论文献给安·吴的记忆，她是小宫山实验室的助理项目科学家，不幸在2023年蒙特利尔的一场火灾中遇难。人们铭记她是一位杰出的神经科学家，她提升了许多她所接触过的人的生命。
