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大脑研究人员已经确定了丘脑和皮层之间的桥梁，这是运动学习功能中被修改的关键区域。他们发现，这样的学习不仅仅是调整活动水平，它还塑造了回路的线路，精炼了大脑区域之间的对话。
加州大学圣地亚哥分校的科学家发表了一项具有里程碑意义的研究，重新定义了科学对学习发生方式的理解。该研究结果发表在《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，为学习期间大脑线路的变化提供了新的见解，为帮助神经系统疾病的新疗法和新技术提供了一条途径。
多年来，神经科学家已经分离出大脑的初级运动皮层（M1），这是一个位于额叶区域的区域，是在学习过程中发出与复杂运动相关信号的中枢。最近，位于大脑中心的运动丘脑被认为是运动学习功能中影响M1的区域。
但即使有了这样的进步，关于这种学习过程如何展开的证据仍然缺乏，这主要是由于监测大脑各区域细胞相互作用的复杂性。
由Takaki Komiyama教授的实验室领导的一个研究小组首次使用强大的神经生物学研究技术来描述小鼠的这些机制。研究人员利用高科技成像技术和一种新颖的数据分析方法，确定了丘脑皮质通路（丘脑和皮层之间的沟通桥梁）是学习过程中被修改的关键区域。
除了确定主要途径外，研究人员还发现，在学习过程中，各个区域之间的联系会发生物理变化。运动学习的作用远不止调整活动水平，它塑造了回路的线路，在细胞水平上完善了丘脑和皮层之间的对话。
“我们的研究结果表明，学习超越了局部变化——它重塑了大脑区域之间的交流，使其更快、更强、更精确，”该研究的主要作者Assaf Ramot说：“学习不仅会改变大脑的行为，还会改变大脑做事的方式。”
在这项研究中，小鼠学习了特定的动作，发现学习导致了丘脑和皮层相互作用的集中重组。研究发现，在学习过程中，丘脑激活M1神经元来编码学习到的运动，并停止与学习到的运动无关的神经元的激活。
“在学习过程中，这些平行和精确的变化是由丘脑激活M1神经元的特定子集产生的，然后激活其他M1神经元以产生学习活动模式，”Komiyama说，他是神经生物学（生物科学学院）和神经科学（医学院）系的教授。
研究人员与神经生物学助理教授Marcus Benna和研究生Felix Taschbach共同开发了一种新的分析方法，称为“共享表征发现”（ShaReD Representation Discovery）。
Taschbach领导了数据分析程序开发，他认为，识别不同对象之间共同编码的行为是一项重大挑战，因为动物之间的行为及其神经表征可能存在很大差异。为了解决这个问题，研究人员开发了ShaReD，它识别出与不同受试者的神经活动相关的单一共享行为表征，使他们能够将细微的行为特征映射到每个动物的不同神经元的活动。
现有的方法通常强制人工对齐以减少个体的可变性——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，共享功能更像是识别哪些地标始终帮助旅行者导航，而不管他们的具体路线选择如何。共享方法对研究结果至关重要。
Benna是一名计算神经科学家，也是这项研究的共同通讯作者，他说：“这种新方法使我们能够将多个实验的数据结合起来，做出详细的发现，而这些发现仅使用单个大脑中记录的有限数量的相关神经元是不可能的。”
这项新研究是Komiyama实验室最近领导的第二项研究，旨在阐明我们的大脑是如何学习的。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。
根据《自然》杂志的研究结果，研究人员通过一个新的综合模型进一步加深了科学对学习过程的理解，该模型揭示了学习过程中习得运动背后的神经回路是如何出现的。这一新发现也为那些患有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。这是关于你的大脑以一种有针对性的方式重新布线。无论你是在学习一项新技能，从中风中恢复，还是使用神经假肢，了解大脑区域如何重组它们的交流，有助于我们设计出更好的疗法和技术，与大脑的自然学习机制一起工作。”
这篇论文是为了纪念An Wu，她是Komiyama实验室的助理项目科学家，在2023年蒙特利尔的一场建筑火灾中不幸丧生。她作为为一位杰出的神经科学家，被人们铭记。
Motor learning refines thalamic influence on motor cortex
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