小脑的“僵尸神经元”决定大脑如何学习

小脑位于你的后脑，是一个大脑结构，在我们如何学习、根据过去的经验调整我们的行为方面起着关键作用。然而，这种学习发生的确切方式仍在定义中。Champalimaud基金会的一个研究小组偶然发现了所谓的“僵尸神经元”，为这场争论带来了新的清晰度。这些神经元虽然还活着，但功能发生了改变，有助于我们进一步了解小脑的关键教学信号。小脑位于你的后脑，是一个大脑结构，在我们如何学习、根据过去的经验调整我们的行为方面起着关键作用。然而，这种学习发生的确切方式仍在定义中。Champalimaud基金会的一个研究小组偶然发现了所谓的“僵尸神经元”，为这场争论带来了新的清晰度。这些神经元虽然还活着，但功能发生了改变，有助于我们进一步了解小脑的关键教学信号。

　　

小脑位于你的后脑，是一个大脑结构，在我们如何学习、根据过去的经验调整我们的行为方面起着关键作用。然而，这种学习发生的确切方式仍在定义中。Champalimaud基金会的一个研究小组偶然发现了所谓的“僵尸神经元”，为这场争论带来了新的清晰度。这些神经元虽然还活着，但功能发生了改变，有助于我们进一步了解小脑的关键教学信号。

“小脑”这个词的意思是“小大脑”，尽管它拥有大脑中一半以上的神经元。它对协调运动和平衡至关重要，帮助你顺利地完成日常任务，比如在拥挤的街道上行走，或者做运动。它在学习过程中也很重要，它能让你把感觉线索和特定的动作联系起来。每次你拿起杯子而不洒出杯子里的东西，根据杯子的重量和装满的程度毫不费力地调整用力的大小，你就在体验小脑将视觉信号与相应的运动反应联系起来的能力所带来的后果。

大脑的“教学信号”

为了进行学习，小脑不断地监视外部世界和我们在其中所做的动作的结果。当我们犯错误时，有关我们错误的信息可以用来调整大脑连接的强度，随着时间的推移，导致我们对特定线索的行为反应发生变化。然而，目前尚不清楚这种“错误”或“教学信号”是如何在大脑中表现出来，从而驱动习得的行为变化的。Champalimaud基金会Carey实验室的最新研究发表在《Nature Neuroscience》杂志上，提供了令人信服的证据，证明小脑输入的一个特定类别的活动，称为攀爬纤维，对联合学习的发生绝对必要。

为了检验攀爬纤维和它们的靶点——小脑浦肯野细胞在学习中的作用，研究人员设计了一个小鼠实验。他们使用了一种被称为眨眼条件反射的常见学习任务。在这项任务中，小鼠学会对特定的信号做出眨眼反应，比如一盏灯，它预示着一个事件，通常是一股温和的空气吹向它的眼睛。然后，这些动物表现出联想学习，学会将感觉信号与适应性运动反应联系起来，在这种情况下，就是眨眼。

“在我们的实验中，”该研究的第一作者Tatiana Silva博士解释说，“我们使用了一种称为光遗传学的技术。这种方法的功能就像一个高度精确的脑细胞遥控器，利用光在非常特定的时间打开或关闭某些感兴趣的细胞。”Silva继续说道:“攀爬纤维通常会对感官刺激做出反应，就像眼睛吸入一股空气一样。通过光遗传学精确激活这些纤维，我们能够欺骗小鼠，让它以为自己收到了空气，而实际上并没有。在呈现视觉线索时持续刺激攀爬纤维后，即使没有刺激，小鼠也学会了对该线索做出眨眼反应。这证明这些纤维足以驱动这种类型的联想学习。”

作者进一步证明，攀爬纤维对于联想学习也是必要的。Silva说:“当我们使用光遗传学技术选择性地让攀爬的纤维在实际的吹气过程中保持沉默时，小鼠完全没有学会对视觉提示做出眨眼反应。”Carey的研究小组同样操纵了小脑内的许多其他类型的脑细胞，但发现它们都不能为学习提供如此可靠的教学信号。

“僵尸神经元”的出现

更仔细地观察他们的一些数据，研究人员发现了一个意想不到的转折。为了利用光遗传学控制攀爬纤维的活性，他们使用遗传工具在这些神经元中表达一种称为通道视紫红质-2 (ChR2)的光敏蛋白。令人惊讶的是，他们发现，当他们试图用传统的吹气方法教表达chr2的小鼠时，这些动物完全无法学习。Carey解释说，在对这些小鼠小脑的神经活动进行系统记录后，“结果证明，将ChR2引入攀爬纤维改变了它们的自然特性，使它们无法对标准的感官刺激做出适当的反应，比如吹气。”这反过来又完全阻碍了动物的学习能力。”

“值得注意的是，”Silva说，“当我们将攀爬纤维刺激而不是吹气与视觉提示配对时，这些小鼠学得非常好。”无意中，研究小组实现了神经科学领域的一个长期目标:在不完全关闭特定神经元交流的情况下，调节特定神经元的特定活动模式，从而更自然地干预，阐明它们的因果作用。换句话说，尽管攀爬的纤维仍然自发地活跃，而且显然在其他方面有功能，但它们对感觉刺激的编码发生了改变，使得动物完全无法学习这项任务。这使得Silva将它们称为“僵尸神经元”:功能上是活的，但不像往常一样与大脑回路相互作用。

由于攀爬纤维中ChR2表达的意想不到的微妙影响，Megan Carey博士说:“这些结果是迄今为止最令人信服的证据，表明攀爬纤维信号对小脑联想学习至关重要。我们的下一步包括理解为什么ChR2表达会导致神经元的‘僵尸化’，并确定我们的发现是否可以扩展到其他形式的小脑学习。”即使是亡灵，似乎也能教给我们一些关于活人世界的东西。

Neural instructive signals for associative cerebellar learning