小脑参与塑造认知：在视觉运动关联的学习中起重要作用

一项对猴子的研究表明，除了调节运动，小脑在基于奖励的学习中也起着至关重要的作用。雄性猴子后外侧小脑的可逆性失活阻碍了新的视觉运动关联的学习，但对运动参数或同一任务的熟练表现没有影响。

　　

小脑位于颅骨底部，位于大脑和脊髓连接处的后面，通常认为主要负责调节运动、平衡和协调。虽然小脑只占大脑质量的10%左右，但它包含了大脑中近80%的神经元。然而过去几十年来小脑的行为贡献几乎完全被概念化在运动控制领域。匹兹堡大学医学院和哥伦比亚大学的神经科学家最近在《Nature Communications》上发表的研究结果表明，小脑在基于奖励的学习中也起着至关重要的作用。研究提供行为、解剖和计算证据来证明灵长类动物后外侧小脑在学习新的视觉运动关联中的因果作用。

“关于小脑功能的一个长期假设是，它主要控制我们的运动方式。然而，我们现在知道，小脑的某些部分与控制我们思考方式的大脑区域相关联，并且似乎已经进化，”匹茨堡大学神经生物系研究助理教授、联合首席研究员Bostan说。“因为小脑使用有关错误的信息来逐渐完善运动，另一种假设是，它可能以类似的方式促进认知功能。”

解剖追踪研究表明，小脑不仅向运动区域发送输出，还向大脑皮层的非运动区域发送输出。对小脑病理学患者的临床评估和神经影像学研究为小脑参与各种非运动过程提供了进一步的证据，包括执行功能、工作记忆、计时、语言和情绪。​​​​​​​​ 然而，小脑对非运动功能的贡献的关键方面仍然未知，包括：
（1）小脑对非运动学习的因果必要性，
（2）小脑对非运动功能的计算以及它们是否独立于运动信息，
（3）参与小脑进行非运动学习的大脑皮质区域，
（4）可以在前额皮质水平上影响非运动学习的小脑皮质区域

在之前的一项研究中，哥伦比亚大学的联合首席研究员Naveen Sendhilnathan博士表明，在小脑的后外侧区域，称为Purkinje细胞的神经元的活动变化能够反映基于奖励的学习视觉运动关联过程。在新的研究中，为了更好地理解小脑在认知中的作用，研究小组的成员训练猴子根据他们在屏幕上看到的图像移动左手或右手。如果它们的行为正确，就会得到一小口果汁，最终学会将特定的视觉线索与适当的动作联系起来，以获得奖励。为了确认这个区域是否对学习有贡献，猴子们接受生理盐水对照或暂时阻断小脑后外侧活动的药物蝇蕈醇。当向猴子展示一个它们已经学会与特定动作相关联的符号时，猴子都能正确地完成任务。接受生理盐水对照的猴子可以在50-70次尝试后学会一种新的视觉-运动关联。但是接收药物阻断剂的猴子相比之下很难学习新的联想。作者发现，灵长类小脑后外侧皮层（Crus I 和 Crus II ）的特定区域的可逆失活会干扰学习新的视觉运动关联但并不完全阻断学习，且不会影响练习良好的关联任务的执行，也不会影响运动参数。小脑前部失活则不会影响学习新的视觉运动关联。作者还利用狂犬病病毒的逆行跨神经元转运，发现了一个独特的大脑-小脑网络，将小脑后外侧的浦肯野细胞与前额叶皮层的一个区域连接起来，该区域对于学习视觉运动关联至关重要。作者推测，小脑的运动区域和非运动区域可能以不同的方式处理奖励信息，小脑中非运动区域的奖励信息在塑造任意视觉运动关联的学习中发挥着积极作用。这些发现表明小脑回路可以实现功能上不同的计算，以实现灵活的认知学习和行为。除了运动平衡之外，小脑还具有其他功能。

所以“当你让这个小脑区域失去活力时，你就损害了新的学习能力，”“学习会慢得多，需要进行更多的试验，而且表现不会达到相同的水平。这是小脑利用奖励信息塑造灵长类动物认知功能的一个具体例子。”作者Bostan补充说，小脑后外侧失活不会导致运动方式的改变，而小脑其他区域的失活也不会影响学习。我们的研究提供了明确的证据，证明小脑不仅对学习如何完成熟练的动作很重要，而且对学习在特定情况下哪些动作最有价值也很重要。”“这有助于解释小脑疾病患者的一些非运动性的困难。”