由加州大学圣地亚哥分校科学家发布的一项里程碑式研究正在重新定义科学界对学习过程的理解。这项发表在《自然》杂志上的研究得到了美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会的支持，提供了关于大脑在学习过程中如何改变连接的新见解，并为开发新的疗法和技术以帮助神经系统疾病患者提供了路径。
多年来，神经科学家一直将大脑的主要运动皮层（M1）视为在学习过程中发送与复杂运动相关的信号的中枢。最近，位于大脑中心的运动丘脑也被认为是在运动学习功能中影响M1的区域。
然而，由于监测不同脑区细胞之间相互作用的复杂性，对于这一学习过程是如何展开的证据仍然不足。
由Komiyama教授实验室领导的研究团队首次使用强大的神经生物学研究技术在小鼠身上描述了这些机制。通过高技术成像和一种新颖的数据分析方法，研究人员确定了丘脑-皮层通路——即丘脑和皮层之间的通信桥梁——作为学习过程中被修改的关键区域。
除了识别主要通路外，研究人员还发现，在学习过程中，不同区域之间的物理连接会发生变化。运动学习不仅仅是调整活动水平，它还会塑造电路的连接，从而在细胞层面细化丘脑和皮层之间的对话。
“我们的研究结果表明，学习不仅仅局限于局部变化——它重塑了大脑区域之间的通信，使其更快、更强、更精确。学习不仅改变了大脑做什么——它还改变了大脑如何进行这种工作。”
Assaf Ramot，该研究的主要作者及Komiyama实验室的博士后学者
在这项研究中，小鼠学习特定动作时，研究人员发现学习导致丘脑和皮层之间的互动发生了集中重组。在学习过程中，丘脑激活M1神经元以编码所学的动作，并停止激活与所学动作无关的神经元。
“在学习过程中，这些平行且精确的变化是由丘脑激活M1的一组特定神经元产生的，然后这些神经元再激活其他M1神经元以生成一个学习活动模式。”Komiyama教授说道。他是生物科学学院神经生物学系和医学院神经科学系的教授，并在Haliçoğlu数据科学研究所（计算、信息和数据科学学院）和Kavli脑与心智研究所担任职务。
为了将特定神经元的活动带入焦点——这是该研究的一个关键见解——研究人员与神经生物学助理教授Marcus Benna和研究生Felix Taschbach共同开发了一种名为ShaReD（共享表示发现）的新颖分析方法。
根据Taschbach的说法，他主导了数据分析程序的开发，识别跨不同个体共同编码的行为是一个重大挑战，因为行为及其神经表征在动物之间可能会有很大差异。为了解决这个问题，研究人员开发了ShaReD，该方法可以识别出一个单一的共享行为表示，该表示与不同个体中的神经活动相关联，从而使他们能够将微妙的行为特征映射到每个动物的不同神经元的活动上。
现有的方法通常会强制执行人工对齐以减少个体间的变异性——类似于要求每个人按照完全相同的路线到达目的地。相比之下，ShaReD更像是识别出无论选择哪种具体路线都能一致帮助旅行者导航的地标。ShaReD方法对该研究的发现至关重要。
“这种方法使我们能够结合多个实验的数据，进行详细的发现，而这在仅使用单个大脑中记录的有限数量的相关神经元的情况下是不可能实现的。”Benna说，他是一位计算神经科学家，也是该研究的共同通讯作者。
这项新研究是Komiyama实验室近期发布的第二项揭示大脑如何学习的研究。今年4月，William Wright、Nathan Hedrick和Komiyama在《科学》杂志上发表了一项研究，描述了神经元在学习过程中遵循的多种规则，不同区域的突触遵循不同的规则。
通过《自然》杂志上的这项研究，研究人员进一步深化了对学习过程的理解，并提出了一个新的综合模型，解释了在学习过程中支持学习运动的神经回路是如何出现的。这些新信息也为那些患有神经系统疾病的人带来了希望。
“研究表明，学习不仅仅是重复。”Ramot说，“而是你的大脑以一种有针对性的方式重新布线。无论是学习新技能、从中风中恢复还是使用神经假肢，理解大脑区域如何重新组织它们的通信有助于我们设计更好的疗法和技术，这些疗法和技术能够与大脑的自然学习机制协同工作。”
这篇论文献给在2023年蒙特利尔建筑火灾中不幸去世的Komiyama实验室助理项目科学家An Wu。她被铭记为一位杰出的神经科学家，她的生命影响了许多人。
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