脊髓学习和记忆痕迹的行为证据：不依赖大脑的适应性学习和回忆习得行为 脊髓比设想的更聪明

日本学者发现脊髓中的2组神经回路证明了脊髓具有不依赖大脑的运动学习能力：一组是新的适应性学习所必需的，另一组是在学习后回忆适应性的。这一发现可以帮助科学家找到帮助脊髓损伤后运动恢复的方法。研究发表在4月11日的《Science》杂志上

　　

科学家们早就知道，即使没有大脑输入，脊髓能通过整合来自多个体感通道的信息来执行和调节运动输出。此外，在各种运动任务的重复练习后，脊髓表现出自主持久的运动调整(感觉运动学习)。这一点在无头昆虫身上得到了最显著的体现，它们的腿仍然可以被训练来躲避外界的障碍。到目前为止，这种奇怪现象还没有人弄清楚这是如何发生的。深入了解这些机制对于揭示体感统合在健康和脊髓损伤后运动适应中的基础和恢复机制至关重要。

日本理研脑科学中心(CBS)的Aya Takeoka和他的同事们发现了脊髓中的两组神经回路可以让脊髓在没有大脑输入的情况下完成“适应性学习”以及回忆"习得的记忆"：一组是新的适应性学习所必需的，另一组是在学习后回忆所适应的东西。这一发现可以帮助科学家找到帮助脊髓损伤后运动恢复的方法。研究发表在4月11日的《Science》杂志上。

在进入神经回路之前，研究人员首先开发了一个实验装置，使他们能够在没有大脑输入的情况下研究小鼠的脊髓适应性：每次测试一对脊髓完全横断小鼠，上身固定下肢自由摆动，一只作为学习小鼠，每次后腿下垂超过指定位置给予电击，使之将体感的后肢位置与电击关联；另一只对照小鼠同一时间给予电击但与它自己的后腿位置无关。

10分钟后，他们观察到没有大脑输入的情况下学习小鼠的运动学习结果：腿一直抬高，避免任何电刺激。这一结果表明，脊髓可以将不愉快的感觉与腿部位置联系起来，并调整其运动输出，使腿部避免不愉快的感觉，这一切都不需要大脑。对照小鼠则不能。24小时后，他们将实验小鼠和对照小鼠对调，重复了10分钟的测试。最初的实验小鼠仍然保持着腿抬起，这表明脊髓保留了对过去经历的记忆，从而主动干扰了新的学习，即先前的经历会干扰新的学习。

在脊髓中建立了即时学习和记忆功能之后，研究小组开始研究使这两种功能成为可能的神经回路。他们使用了六种转基因小鼠，每种小鼠都有一组不同的脊髓神经元被禁用，并测试了它们的运动学习和学习对调结果。他们发现，在脊髓顶端表达Ptf1a基因的神经元丧失功能后，小鼠失去学习能力，其后肢无法适应以避免电击。

但当他们在学习对调期间检查小鼠时，他们发现沉默表达ptf1a的神经元没有效果。相反，脊髓底部腹侧部分表达En1基因的一组神经元至关重要。当在学习回避后的第二天沉默这些神经元时，小鼠表现得好像失去了学习的记忆。研究人员还在第二天通过重复最初的学习条件来评估记忆回忆，发现野生型小鼠后肢稳定到躲避位置的速度比第一天更快，这表明它们有回忆能力。在回忆过程中刺激En1神经元使这一速度提高了80%，表明运动记忆增强。

“这些结果不仅挑战了运动学习和记忆仅仅局限于大脑回路的流行观念，”Takeoka说，“而且我们表明，我们可以操纵脊髓运动回忆，这对旨在改善脊髓损伤后恢复的治疗具有重要意义。”

研究亮点讨论

* 脊髓表现出类似于各种经典学习和记忆定义的特征。例如，在逆向学习过程中，学习者会经历主动干扰，即新的学习受到现有记忆的阻碍。相比之下，对照小鼠在对调学习过程中的行为表现为需要更多时间来引发学习的熟悉刺激。当动物学会将反应与刺激分开时，脊髓回路还表现出消退，条件反应的丧失。这种可塑性可能对于保持灵活性、减少过时经验的影响以及改变不良运动习惯以提高运动技能至关重要。

* 清醒、行为动物的电生理记录揭示了由Ptf1 α 表达神经元调节的 Aδ/C 传入神经元的亚模态特异性调节，以及Ptf1 α 阴性神经元（可能包括En1表达神经元）的学习相关变化。

* 脊髓回路也遵循感觉运动学习的基本原理，并强调感觉信号在运动适应中的关键作用。相比之下，腹侧神经元的灵活组合可以执行该范例中所需的相对基本的运动适应。

* 从适应到回忆习得行为，神经基质从背侧抑制性 PD 类别转变为腹侧抑制性 PD 类别。这些神经元的空间位置，可能是学习和保留已学行为的功能划分的关键因素。背侧神经元遇到不断变化的体感信息流，它们可能能够更好地满足环境对适应性行为的需求。相反，一旦熟悉的线索进入脊髓，腹侧神经元可能更适合执行适当的输出。

* 转录组学研究结果表明，背侧神经元表达更多与可塑性相关的基因，而腹侧神经元则表现出与结构稳定性相关的基因丰富。这进一步支持了脊髓神经元在感觉运动学习中的作用与其空间定位之间的联系

这项研究确定了两个不同的神经元群体作为肢体缩回适应的基础。调节脊髓运动适应的体感信息类型可能与环境相关。研究结果强调了理解脊髓回路介导的学习机制的重要性，因为一旦获得运动技能，它们可能有助于各种运动学习过程和运动自动化。这些概念也可能与脊柱损伤和中枢神经系统疾病后的康复训练相关，其中在康复训练期间持续调整特定回路的目标有利于运动恢复的不同阶段。