大脑形成新的活动模式以促进学习

2019年12月25日15:32:17大脑形成新的活动模式以促进学习已关闭评论
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掌握一项新技能-无论是运动,乐器还是手工艺品-都需要时间和训练。虽然可以理解,健康的大脑能够学习这些新技能,但是大脑如何变化以发展新

掌握一项新技能-无论是运动,乐器还是手工艺品-都需要时间和训练。虽然可以理解,健康的大脑能够学习这些新技能,但是大脑如何变化以发展新行为却是一个相对的谜。通过使他们能够更轻松地重新学习日常任务,对这种基础神经回路的更精确的了解最终可以改善遭受脑损伤的个人的生活质量。

匹兹堡大学和卡内基·梅隆大学的研究人员最近在PNAS上发表了一篇文章,揭示了从新手到专家的学习过程中大脑中发生了什么。他们发现,随着长期学习,出现了新的神经活动模式,并在这些模式与新的行为能力之间建立了因果关系。

这项研究是作为跨机构研究和教育计划的神经认知基础中心的一部分进行的,该计划利用了Pitt在基础和临床神经科学与生物工程以及CMU在认知和计算神经科学中的优势。

该项目由皮特(Pitt)生物工程副教授亚伦·巴蒂斯塔(Aaron Batista)共同指导;CMU电气与计算机工程和生物医学工程副教授CMU生物医学工程与神经科学研究所副教授Steven Chase。这项工作是由皮特生物工程博士后研究员艾米丽·奥比(Emily Oby)领导的。

奥比说:“我们使用了脑机接口(BCI),该接口在受试者的神经活动和计算机光标的移动之间建立了直接的联系。”“我们记录了恒河猴主要运动皮层手臂区域大约90个神经单元的活动,因为它们执行的任务是要求它们移动光标以使其与监视器上的目标对齐。”

为了确定猴子是否会像他们学到的那样形成新的神经模式,研究小组鼓励动物尝试一种新的BCI技能,然后将这些记录与已有的神经模式进行比较。

奥比说:“我们首先给猴子提供了一种所谓的'直观映射',即从它们的神经活动到光标,这与它们的神经元如何自然发火并且不需要任何学习有关”。“然后,我们通过以新颖的映射形式介绍一项技能来诱导学习,该技能要求受试者学习他们需要产生什么样的神经模式才能移动光标。”

就像学习大多数技能一样,该小组的BCI任务在整个过程中进行了几次练习和一些指导。

巴蒂斯塔说:“我们发现一周后,我们的受试者能够学习如何控制光标。”“这是惊人的,因为通过构造,我们从一开始就知道他们没有执行此技能所需的神经活动模式。果然,当我们在学习后再次查看神经活动时,我们发现神经活动的新模式出现了,这些新的模式使猴子得以执行任务。”

这些发现表明,人类掌握新技能的过程也可能涉及新的神经活动模式的产生。

于说:“尽管我们正在研究动物实验中的一项特定任务,但我们认为这也许是大脑学习许多新事物的方式。”“考虑学习在钢琴上弹奏复杂曲子所需的手指敏捷性。在练习之前,您的大脑可能尚未能够生成适当的活动模式来产生所需的手指运动。”

蔡斯说:“我们认为,扩展练习可以建立新的突触连接性,从而直接导致新的活动模式的发展,从而实现新的能力。”“我们认为这项工作适用于任何想要学习的人-无论是瘫痪的个人学习使用脑机界面还是中风幸存者想要恢复正常的运动功能。如果我们可以在运动学习过程中直接观察大脑,我们相信我们可以设计神经反馈策略,以促进导致新的神经活动模式形成的过程。”