东方时讯网当您第一次学习如何骑自行车或演奏乐器时，您的身体动作充其量是不协调的。但是随着时间的推移和大量的重复，你大脑的运动神经元会在思想和肌肉之间形成一种速记。相关的动作最终变得如此根深蒂固，以至于骑自行车或玩天平感觉几乎是自动的。
这种运动学习过程如何运作的细胞基础是什么?在本周发表在《神经元》杂志上的一项研究中，由渥太华医学院的SimonChen博士领导的研究小组对神经科学这个经久不衰的谜团提供了新的和有价值的见解。
他的实验室专注于解开记忆是如何编码和存储在大脑中的，特别是运动学习，即我们如何移动和协调身体肌肉的复杂过程。通过这项最新研究，陈博士的研究团队探索了在重复练习中调节运动记忆获取和巩固过程的机制。
加拿大神经回路和行为研究主席陈博士说，这项研究的发现可能有助于开发治疗目标，帮助帕金森病、中风或脑损伤患者恢复运动功能。这很重要，因为对这些人来说，恢复粗大运动协调和恢复失去的动作是一场非常艰难的战斗。
“如果我们了解大脑如何调节运动技能的获得，那么也许有一天我们可以帮助中风或帕金森病患者在康复过程中恢复这些技能，”他说。
这项研究的重点是老鼠，而不是人。但由于科学家认为小鼠和人类的记忆形成机制非常相似，因此这些发现可能与人类有很深的相关性。
那么这些实验是如何进行的呢?
通过在成像阶段限制小鼠的头部运动，这使科学家能够以单细胞分辨率探测大脑，该团队训练动物执行特定的运动任务：从电动输送架上获取并抓住食物颗粒。
最初，头部约束的小鼠在抓起颗粒时是试探性的和笨拙的。研究人员使用深度学习软件工具箱DeepLabCut对动物的动作进行了详细分析，该工具箱将动作捕捉视频与人工智能相结合。他们发现，随着重复和时间的推移，老鼠会形成刻板的伸手可及的动作，这使它们最终能够轻松地获得食物。
该团队希望看到特定于这些伸手可及的动作的神经元的激活，并观察大脑中突触通路的形成。
“我们能够在老鼠实际学习这项任务时监测大脑的变化，”医学院细胞与分子医学系副教授陈博士说。
使用双光子成像，一种允许在微米尺度上观察活组织的显微镜，他的团队能够在头部固定的小鼠执行这些颗粒时观察初级运动皮层中兴奋性神经元中树突棘的重组-随着时间的推移采取行动。树突棘——突触上的神经结构，类似于棒棒糖，带有细棒和气泡状的顶部——是记忆形成和储存的关键。
放大到细胞水平，研究人员发现，运动学习选择性地诱导初级运动皮层中称为NPAS4的活动依赖性“转录因子”的表达。
陈博士说，这些新发现揭示的是，这种转录因子的表达触发了一种与学习相关的抑制性神经元集合的出现，该集合调节初级运动皮层的抑制。这在学习过程中调节兴奋性神经元之间的树突棘重组过程。
从本质上讲，NPAS4调节抑制性神经元中控制这些神经元活动的基因变化，类似于音量滑块控制笔记本电脑扬声器的方式。陈博士说，这些发现“还表明，转录因子的抑制性神经元特异性诱导是学习行为所参与的神经元集合形成的决定性特征。”
换句话说，随着时间的推移重复运动改变了动物初级运动皮层的内部运作——只有哺乳动物拥有的大脑部分，它控制着复杂的运动。
研究小组发现，抑制性神经元中NPAS4转录因子的表达是大脑如何筛选选项以形成针对特定运动的最强运动记忆的关键——它需要不断地重新表达，这些记忆才能被保存和完善在你的大脑中进行重复练习。