加州大学圣地亚哥分校的科学家们发表了一项具有里程碑意义的研究，重新定义了我们对学习过程的理解。这项研究发表在《自然》杂志上，并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，揭示了大脑在学习期间如何改变其连接的新见解，为开发新的疗法和技术以帮助神经系统疾病患者提供了可能。
多年来，神经科学家们一直将大脑的主要运动皮层（M1）视为发送与复杂运动相关信号的关键区域。最近，位于大脑中心的运动丘脑也被认为在运动学习过程中影响M1。
然而，由于监测不同脑区细胞间相互作用的复杂性，关于这一学习过程的具体机制仍然缺乏证据。
由Takaki Komiyama教授领导的研究团队使用强大的神经生物学研究技术首次在小鼠中描述了这些机制。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-皮层通路作为学习期间发生改变的关键区域。
除了识别主要通路外，研究人员还发现，学习过程中各区域之间的联系发生了物理变化。运动学习不仅仅是调整活动水平，它还重塑了电路的连接，在细胞水平上细化了丘脑和皮层之间的交流。
“我们的研究结果表明，学习不仅限于局部变化——它重塑了脑区之间的通信，使其更快、更强、更精确，”该研究的主要作者、Komiyama实验室的博士后学者Assaf Ramot说。“学习不仅仅改变了大脑做什么——它改变了大脑如何布线来完成任务。”
在这项研究中，小鼠学会了特定的动作，揭示了学习会导致丘脑和皮层交互的集中重组。在学习期间，丘脑被发现激活M1神经元以编码所学动作，并停止激活与正在学习的动作无关的神经元。
“在学习过程中，这些并行且精确的变化是由丘脑激活M1神经元的特定子集产生的，然后这些神经元再激活其他M1神经元以生成学习活动模式，”Komiyama教授说，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Halıcıoğlu数据科学研究所和Kavli脑与心智研究所担任职务。
为了聚焦特定神经元的活动——这是研究的关键见解之一——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，识别不同受试者之间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不同动物之间可能存在显著差异。为了解决这个问题，研究人员开发了ShaReD，该方法可以识别出跨不同受试者与神经活动相关的单一共享行为表示，从而能够将微妙的行为特征映射到每只动物的不同神经元的活动上。
现有的方法通常会强制进行人工对齐以减少个体差异——类似于要求每个人都遵循完全相同的路线到达目的地。相比之下，ShaReD更像是识别出无论旅行者选择何种具体路线都能一致帮助导航的地标。ShaReD方法对于这项研究的发现至关重要。
“这种新方法使我们能够结合多个实验的数据，进行详细的发现，而这些发现仅靠单个大脑中记录的有限数量的相关神经元是无法实现的，”计算神经科学家Benna说，他是这项研究的共同通讯作者。
这项新研究是Komiyama实验室最近领导的第二项阐明我们大脑如何学习的研究。4月份，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》杂志上的这项研究，研究人员进一步加深了对学习过程的理解，提出了一个关于学习过程中支持学习动作的神经回路如何出现的新综合模型。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。“它是你的大脑以有针对性的方式进行重新布线。无论是学习新技能、从中风中恢复还是使用神经假体，了解脑区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。”
这篇论文献给已故的An Wu，她是Komiyama实验室的助理项目科学家，在2023年蒙特利尔的一场火灾中不幸去世。她被铭记为一位杰出的神经科学家，提升了她所接触的许多人的生活。完整作者名单包括：Assaf Ramot, Felix H. Taschbach, Yun C. Yang, Yuxin Hu, Qiyu Chen, Bobbie C. Morales, Xinyi C. Wang, An Wu, Kay M. Tye, Marcus K. Benna 和 Takaki Komiyama。
这项研究得到了美国国立卫生研究院（R01 NS125298, R01 NS091010, R01 DC018545 和 R01 MH128746）、美国国家科学基金会（2024776）和Simons全球脑合作试点奖的支持。
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