运动学习改变大脑皮层的神经回路，促进学习和记忆

虽然“记忆”是“学习”的延伸，但研究人员不知道“学习”的信息是如何作为“记忆”存储在大脑中的。此次，国立生理科学研究所窪田芳之副教授、特任助理教授孙扎林孙在邻、多摩川大学脑科学研究所的川口泰雄研究员进行了小鼠实验，证明了身体在练习时记忆运动的机制，考虑这是大脑皮层神经回路结构的变化。

本研究阐明了学习记忆机制的一部分。

这项研究的结果发表在《科学进展》上（日本时间 2022 年 7 月 28 日）。

在大脑中，信息在神经细胞之间以复杂的方式进行交换，形成一个巨大的网络。特别是神经元之间传递信息的连接点被称为突触，它们被认为在学习和记忆中起着非常重要的作用。事实上，众所周知，当小鼠接受特定运动任务的训练时，大脑皮层中负责运动的区域（初级运动皮层）会形成新的突触，神经回路也会发生改变。然而，之前的研究没有将这一点澄清为神经回路的变化，并且诸如哪些信息区域对学习和记忆很重要等细节尚不清楚。通过阐明在学习过程中发生变化的突触连接，研究人员将阐明大脑机制，通过练习可以改善使用刀叉吃饭等动作并逐渐进入无意识状态。

在这项研究中，窪田小组观察了受过运动学习训练的小鼠突触的变化，以阐明运动学习和运动记忆的神经机制。

首先，研究人员观察了使用前肢继续进行运动学习任务训练的小鼠的大脑内部，并证实在控制前肢运动的大脑皮层的初级运动皮层中形成了新的突触（图 1 , top). 图) 以往的研究报道，新的突触连接经常在学习的早期阶段（学习的第 1 到第 4 天）形成，而且越先进的小鼠，突触连接的数量越多。表明新的突触连接的形成对。

在这项研究中，研究人员验证了这些新的突触连接在大脑中传递信息的位置。结果，研究人员澄清了许多新形成的突触连接是从高阶运动皮层（次级运动皮层等）发出的（图 1，下图）。高阶运动皮层被认为执行与运动执行相关的有意识信息处理，例如运动的计划和准备，并将信号信息发送到有意识地纠正运动。这是可能的。换句话说，可以推断出动物在学习的早期阶段为了掌握运动任务而“通过反复试验”做各种事情。

另一方面，许多在学习早期新形成的突触连接在学习后期（第 5 天到第 8 天）消失了。然而，仍有剩余的突触，当研究人员调查它们的输入源时，研究人员发现从称为丘脑的区域接收信息的突触即使在学习后期也能存活下来（图 1 底部）。还发现，不仅从丘脑传输信息的突触连接仍然存在，而且信号也得到了加强。丘脑是大脑深处的一个区域，被认为传递自动运动信号。基于这些结果，研究人员认为来自丘脑的输入在学习的后期发挥着重要作用，学习动作的信息处理逐渐变得自动化和习惯性。

事实上，使用化学遗传学方法，很明显，在运动任务训练期间抑制来自高级运动皮层的信息使得难以改善运动。另一方面，即使从丘脑到大脑皮层运动区的神经传递受到抑制，运动也正常进行。这些结果表明，来自高级运动皮层的信息对学习早期的运动进展很重要，而来自丘脑的信息的影响较弱。

然而，也发现，当从丘脑到初级运动皮层的神经信号在第 9 天被实验性抑制时，经过 8 天训练并且运动能力得到充分改善的小鼠无法正常进行发育良好的运动。该结果表明来自丘脑的信息对于自动执行已经获得的“运动记忆”很重要。这些结果表明，从高级运动皮层到初级运动皮层的神经信息传输在“运动学习”中起着重要作用，并且学习到的“运动记忆”与来自丘脑的突触输入有关。很明显，数据已被重新保存（图 1 和图 2）。

由于“记忆”是“学习”的延伸，人们认为“学习”形成了一个新的神经回路，随着它的成熟，它起到了“记忆”神经回路的作用。研究人员的研究表明，“学习”和“记忆”在不同的机制下运作。基于这项研究的结果，研究人员提出了一个新的理论，即“学习突触”有助于“记忆突触”的形成，从而建立学习和记忆。

窪田副教授说：“在这项研究中，研究人员能够展示关于大脑如何将所学知识转化为记忆的新知识。例如，如何使用筷子。如果你练习，你将不得不注意你的“一开始是指尖，但越练越会用筷子。”“下意识地熟练地用筷子吃饭。我相信这个结果将有助于阐明大脑参与日常运动学习的学习机制。”