Neuron揭示运动记忆形成的基础

在本周发表在《神经元》(Neuron)杂志上的一项研究中，渥太华大学医学院的西蒙·陈(Simon Chen)博士领导的研究团队对神经科学的一个长期谜团提供了新的、有价值的见解，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。

　　

   

   

“如果我们了解运动技能的获得是如何在大脑中被调节的，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重新获得这些技能。”    

当你刚开始学习如何骑自行车或演奏乐器时，你的身体动作最多是不协调的。但随着时间的推移和大量的重复，你的大脑的运动神经元在思维和肌肉之间创建了一种速记。相关的动作最终变得如此根深蒂固，以至于跳上自行车或弹奏音阶感觉几乎是自动的。

这种运动学习过程的细胞基础是什么?在本周发表的一项研究中，由渥太华大学医学院的西蒙·陈博士领导的研究为神经科学这个持久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在大脑中编码和存储的，尤其是运动学习，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任陈博士说，这项研究的发现可能有助于开发治疗靶点，帮助帕金森病、中风或脑损伤患者恢复运动功能。这是非常重要的，因为恢复大肌肉运动协调能力和恢复失去的动作对这些人来说是一场非常困难的战斗。

他说:“如果我们了解运动技能的获得是如何在大脑中被调节的，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重新获得这些技能。”

这项研究的对象是老鼠，而不是人。但由于科学家们认为，老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着深刻的关联。

那么这些实验是如何进行的呢?

通过限制小鼠在成像阶段的头部运动，这使得科学家能够在单细胞分辨率下探测大脑，研究团队训练这些动物执行一项特定的运动任务:从电动输送支架上拿起并抓住一个食物球。

最初，头部受限的小鼠在抓球时表现出试探性和笨拙。研究人员使用DeepLabCut对动物的动作进行了详细分析，这是一个结合了动作捕捉视频和人工智能的深度学习软件工具箱。他们发现，随着重复和时间的推移，老鼠形成了固定的伸展和抓取动作，这使它们最终能够轻松地获得食物。

研究小组想要观察与这些触手抓握动作相关的神经元的激活情况，并观察它们发生时大脑中突触通路的形成情况。

陈博士是医学院细胞和分子医学系的副教授，他说:“我们能够在老鼠学习这项任务时监测到大脑的变化。”

使用双光子成像技术，一种可以在微米尺度上观察活体组织的显微镜技术，他的团队能够观察到固定头部的小鼠在长时间进行抓球动作时，初级运动皮层兴奋性神经元中树突棘的重组情况。树突棘是突触上的神经结构，类似棒棒糖，有细长的棒子和泡状顶部，是记忆形成和存储的关键。

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一种名为NPAS4的活动依赖的“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神经元集合的出现，该集合调节初级运动皮层的抑制。它调节学习过程中兴奋性神经元之间的树突脊柱重组过程。

本质上，NPAS4调节抑制神经元的基因变化，这些抑制神经元控制这些神经元的活动，就像音量滑块控制笔记本电脑的扬声器一样。陈博士说，这些发现“也证明了抑制神经元特异性的转录因子诱导是神经元在学习行为中形成整体的决定性特征。”

换句话说，随着时间的推移，重复这些动作改变了动物初级运动皮层的内部工作方式——这部分大脑只有哺乳动物拥有，控制着复杂的动作。

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、形成对特定动作最强烈的运动记忆的关键。在进行重复练习时，NPAS4转录因子需要持续地重新表达，才能让这些记忆在大脑中停留和细化。

文章标题

Functionally Distinct NPAS4-Expressing Somatostatin Interneuron Ensembles Critical for Motor Skill Learning