Studie poskytuje nové poznatky o tom, jak se mozkové zapojení mění během učení

Studie orientačních bodů zveřejněná vědci na University of California v San Diegu předefinuje porozumění tomu, jak se učí učení. Zjištění, zveřejněná v časopise Příroda a podporované Národními ústavy zdraví a americké národní vědecké nadace, poskytují nové poznatky o tom, jak se mění zapojení mozku během období učení a nabízí cestu k novým terapiím a technologiím, které pomáhají neurologické poruchy.

Po mnoho let neurovědci izolovali mozkový primární motorickou kůru (M1), oblast v oblasti frontálního laloku, jako centrum pro vysílání signálů souvisejících se složitými pohyby během epizod učení. V poslední době byl Motor Thalamus, který se nachází ve středu mozku, implikován jako oblast, která ovlivňuje M1 během funkcí motorického učení.

Ale i s takovými pokroky chyběly důkazy jak Tento proces učení se odehrává, zejména kvůli složité povaze monitorování interakcí buněk napříč mozkovými oblastmi.

Výzkumný tým vedený laboratoří profesora Takaki Komiyama použil silné neurobiologické výzkumné techniky k popisu těchto mechanismů u myší poprvé. Pomocí high-tech zobrazování a nové metody analýzy dat vědci identifikovali thalamokortikální cestu, komunikační most mezi thalamem a kůrou, jako klíčovou oblast, která je během učení modifikována.

Kromě identifikace hlavní cesty vědci zjistili, že vazby mezi regiony se během učení fyzicky mění. Motor Learning dělá mnohem více než upravit úrovně aktivity, vyřezává kabeláž obvodu a zdokonaluje konverzaci mezi thalamem a kůrou na buněčné úrovni.

Naše zjištění ukazují, že učení jde nad rámec místních změn – přetváří komunikaci mezi mozkovými oblastmi, takže je rychlejší, silnější a přesnější. Učení se nezmění jen co mozek to dělá – mění se jak mozek je zapojen, aby to udělal. “

Assaf Ramot, hlavní autor studie a postdoktorandský učenec v laboratoři Komiyama

Studie, během níž se myši naučily specifické pohyby, odhalila, že učení způsobuje soustředěnou reorganizaci interakce thalamu a kůry. Během doby učení bylo zjištěno, že thalamus aktivuje neurony M1, aby kódoval naučený pohyb a zastavil aktivaci neuronů, které se nezúčastnily, aby se pohyboval.

„Během učení jsou tyto paralelní a přesné změny generovány thalamem aktivujícím specifickou podskupinu neuronů M1, které pak aktivují další neurony M1, aby vytvořily vzorec naučené aktivity,“ řekl Komiyama, profesor v oddělení neurobiologie (škola biologických věd) a neurověda (škola medicíny), s jmenováním (School of Medicine (School of Medicine) Vědy) a Kavli Institute for Brain and Mind.

Aby se zaměřili aktivitu specifických neuronů – klíčový vhled do studie – vědci vyvinuli novou analytickou metodu s názvem Shared (Shared Reprezentation Discovery) s neurobiologickou asistentem Marcusem Bennou a postgraduálním studentem Felixem Taschbachem, studijními spoluautory.

Podle Taschbacha, který vedl vývoj postupu analýzy dat, identifikace chování, která jsou běžně kódována u různých subjektů, představuje významnou výzvu, protože chování a jejich nervová reprezentace se mezi zvířaty mohou výrazně lišit. Aby se tento problém vyřešil, vědci vyvinuli sdílený, který identifikuje jedinou sdílenou reprezentaci chování, která koreluje s nervovou aktivitou napříč různými subjekty, což jim umožňuje mapovat jemné behaviorální rysy aktivity různých neuronů u každého zvířete.

Existující metody obvykle vynucují umělé zarovnání, aby se snížila variabilita individuálního – podobně jako vyžadující, aby každý sledoval přesně stejnou cestu k cíli. Naproti tomu sdílené funkce spíše jako identifikace, které orientační body neustále pomáhají cestujícím navigovat bez ohledu na jejich konkrétní volbu tras. Sdílená metoda byla kritická pro zjištění studie.

„Tato nová metoda nám umožňuje kombinovat data z více experimentů, abychom vytvořili podrobné objevy, které by nebyly možné s použitím pouze omezeného počtu relevantních neuronů zaznamenaných v individuálním mozku,“ řekla Benna, výpočetní neurovědec a spolupráci autor této studie.

Nová studie je druhá nedávno vedená Laboratoř Komiyama, která osvětluje, jak se naše mozky učí. V dubnu zveřejnili William Wright, Nathan Hedrick a Komiyama studii v Věda To popisuje více pravidel, která neurony sledují během epizod učení, se synapsy v různých regionech podle různých pravidel.

S Příroda Zjištění studie, vědci dále rozumí vědě o procesu učení s novým komplexním modelem toho, jak se během učení objevují nervové obvody, které jsou základem naučených hnutí. Nové informace také nabízejí naději těm, kteří trpí neurologickými poruchami.

„Studie ukazuje, že učení není jen opakování,“ řekl Ramot. „Jde o váš mozek doslova se zaměřuje cíleným způsobem. Ať už se učíte novou dovednost, zotavujete se z mrtvice nebo pomocí neuroprostetiky, pochopení toho, jak oblasti mozku reorganizují jejich komunikaci, nám pomáhá navrhovat lepší terapie a technologie, které fungují, které fungují s Přirozené učení mozku. “

Příspěvek je věnován paměti WU, asistenta projektového vědce v Komiyamově laboratoři, který tragicky zemřel při požáru Montreal Building 2023. Vzpomíná ji jako brilantní neurovědec, který zvýšil mnoho životů, kterých se dotkla.