2018年4月16日

研究人员发现跑步速度与增强学习之间的因果关系

从左到右:Tatiana Silva,Catarina Albergaria,Dominique Pritchett和Megan Carey。信用:Paco Romero

一项新研究发表在杂志上 自然神经科学 葡萄牙里斯本的尚帕里莫德未知中心的一个研究小组的研究表明,老鼠跑得越快,他们的学习速度就越快,越好。

这项新研究的第一作者卡塔琳娜·阿尔伯格里亚(Catarina Albergaria)表示:“我们的主要发现是,我们可以使小鼠更快地运转,从而使他们更好地学习。”

神经科学家正在一起研究其他东西。 Albergaria补充说:“我们的最初目标是将大脑中的细胞可塑性与学习联系起来。”最终,他们试图了解大脑局部神经回路如何 通过学习运动任务而改变。

这项研究的负责人梅根·凯里(Megan Carey)说:“小脑对于学习熟练的动作很重要。” “它可以在不断变化的环境中校准运动,从而以非常精确的方式协调运动。”

为了了解伴随学习而来的小脑细胞的变化,研究人员正在研究经典的调理学习任务,类似于巴甫洛夫著名的狗在听到铃铛时流涎的调理行为,因为它已经学会了将声音与进食联系起来。

在这些实验中,在跑步机上跑步时,小鼠必须学会紧闭双眼,以响应在收到眼睛喘气之前(通常会引起反射性眨眼)之前闪烁的光线。这是小脑中发生的一种学习形式。

但是,科学家们尝试研究这个问题的实验没有用。该团队看不到学习任务的任何影响,因为他们从不同的小鼠获得的数据差异太大,甚至在同一只动物的不同试验之间也是如此。是什么造成这种反复出现的污染噪声? Albergaria回忆说:“实验很长时间以来都没有成功。”

在某个时候,他们了解正在发生的事情。他们使用的突变小鼠运行得并不好。当考虑到运行速度时,数据中的“噪音”被清除。此外,当所有动物都以更快的速度奔跑时,它们具有相似的学习曲线和最大的眼睑调节性能。凯里说:“这是一个非常令人惊讶的结果。”

这证实了跑步速度与增强学习之间存在因果关系,而不仅仅是相关性。这组作者在论文中写道:“发现外部施加的跑步速度变化足以调节学习(...),提供了运动活动增加可促进学习的因果证据。”

研究小组进一步表明,一旦老鼠学会了这项任务,他们随后执行该任务的性能仍然取决于它们的奔跑速度。阿尔伯格里亚说:“当我们放慢跑步机的速度时,老鼠的表现会变差,而这种情况发生在几秒钟的时间范围内。” Albergaria说:“这就是我们试图消除的学习和表现中明显随机变化的原因,” “现在,我们想找出跑步和学习之间这种联系背后的大脑机制。”

这种增强作用在大脑何处发生?首先,科学家询问跑步对学习的影响是否特定于视觉系统。例如,是否只是老鼠在奔跑时能看得更好,从而学得更好?

他们训练小鼠在吹气之前经历其他类型的感觉刺激(例如,听到音调或感觉到胡须的振动)时要合上眼睑。的确,他们发现在所有这些不同的感觉方式中,跑步速度对学习的效果相同,就像对视觉刺激一样。

这种共性意味着驱动学习增强的神经过程独立于所涉及的感觉系统,这表明它可能发生在大脑皮层的视觉,听觉或触觉区域处理了感觉信号之后。然后,研究人员转向小脑。

使用光遗传学技术,使他们能够直接用激光刺激特定的神经元,从而刺激了通过被称为苔藓纤维的轴突投射到小脑的神经元。 Albergaria解释说:“我们用对小脑的直接刺激代替了运动活动,我们发现,如果您能够增加苔藓纤维的活动,则会增强学习。”我们在小脑中发现了发生这种调节的地方, ”凯里强调。

那人类呢? Albergaria回答说:“小脑在物种间是一个保存完好的结构,并且在物种间存在着共同的回路。”推测这一发现“很可能适用于人类的其他形式的小脑学习。”他们的发现的一个暗示是:“它不一定需要运动;任何驱动长满苔藓纤维活动的东西都可以提供同等的学习调节,” Albergaria说。但是,她警告说:“我们不知道这对其他非小脑学习是否正确。”

如果是这样,这可能会对人类的学习产生一般性的影响。有没有想过为什么在遇到难以解决的问题时为什么有时需要在房间里走动呢?可能是因为我们走路时会思考得更好,还是因为我们在移动中更好地组织想法?凯里说:“我们倾向于认为要操纵大脑的可塑性,使人们学习得更快,学习者的学习进步得越慢,我们就必须使用药物。” “但是在这里,我们要做的就是控制速度 正在努力获得改善。有趣的是,这是否对人类,小脑学习形式甚至其他类型的学习都成立。”

更多信息: Catarina Albergaria等人,运动活动调节小鼠小脑的联想学习, 自然神经科学 (2018)。 DOI:10.1038 / s41593-018-0129-x

期刊信息: 自然神经科学

由...提供 尚帕里莫德未知中心

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