大脑中的“奖励分子”如何助力运动技能学习？

　　

来自以色列理工大学鲁斯和布鲁斯·拉帕波特医学院以及安德鲁和埃尔娜·维特比电气和计算机工程学院的研究人员进行的一项新的跨学科研究揭示了一个令人惊讶的见解：多巴胺的局部释放是获得新运动技能的关键因素。多巴胺是一种以其在大脑奖励系统中的作用而闻名的分子

从写作和打字到演奏乐器或掌握一项运动，学习基于动作的任务是大脑最复杂的挑战之一。这项合作的新研究揭示了大脑在这种技能学习过程中如何重组其神经网络，并揭示了多巴胺在这一运动学习过程中的重要作用。

这项研究发表在《自然通讯》杂志上，由Hadas Benisty博士、Jackie Schiller教授和医学博士领导。学生Amir Ghanayim， Andrew and Erna Viterbi电气与计算机工程学院的Ronen Talmon教授和学生Avigail Cohen-Rimon贡献。

大脑是如何学习运动的？

获得新的运动技能的能力是适应环境的基础。这种学习发生在初级运动皮层——大脑中负责计划和执行自主运动的区域。从这个皮层“指挥中心”，信号通过脊髓发送，激活肌肉并协调运动。当我们学习新技能时，这个区域的神经活动会发生变化。然而，驱动这些变化的机制仍不清楚。

研究的主要发现

研究人员在行为正常的小鼠身上使用了先进的钙成像技术和化学发生抑制技术——工程受体和特定药物暂时关闭目标脑细胞，使研究人员能够研究它们的功能。他们用细胞分辨率绘制了运动皮层中神经网络在获得运动技能过程中的动态变化，并发现在学习过程中，神经网络从“初学者”结构转变为“专家”结构。

至关重要的是，这一过程取决于运动皮层中多巴胺的局部释放。在正常情况下，多巴胺分子由起源于腹侧被盖区（VTA）的神经元传递到这一区域，VTA是大脑中多巴胺的中枢。研究人员假设，多巴胺的释放触发了可塑性机制，导致运动皮层神经元之间功能连接的变化。这个过程通过储存新技能以备将来使用来实现运动学习。从本质上讲，这是一种强化学习的形式，成功的运动结果加强了大脑的内部连接。

当多巴胺被阻断时会发生什么？

为了测试这种机制的必要性，研究人员检查了神经网络的活动和功能连通性，以及当初级运动区域的多巴胺释放被阻断时的学习过程。结果很清楚：当多巴胺被阻断时，学习完全停止——老鼠在前肢伸展任务中无法提高表现。运动皮层神经网络保持静止。然而，一旦多巴胺释放恢复，学习就会恢复，同时神经网络也会重组。

该研究提供了令人信服的证据，表明局部多巴胺释放是运动皮层神经可塑性的关键信号，使产生精确有效的运动命令的必要适应成为可能。一个特别有趣的发现是，阻断多巴胺并不会影响先前习得的运动技能。换句话说，研究人员证明，多巴胺对学习新动作至关重要，但对表演已经学会的动作并不需要。

VTA projections to M1 are essential for reorganization of layer 2-3 network dynamics underlying motor learning