大脑是如何学习新技能的

人类的大脑具有“可塑性”:它能够自我适应和重组，通常在学习与熟悉技能相关的新事物时更容易。例如，职业网球运动员学习打羽毛球可能比学习踢足球更容易。

为了发现大脑可塑性的基本极限，加州理工学院(Caltech)的一项新研究发现，当与一个人已经拥有的技能相关时，学习确实更容易，因为预先存在的神经元结构限制了一个人可以学习的内容。换句话说，我们已经掌握的技能很可能限制了我们能在短时间内轻松学会的东西。

“我们想了解人们是如何学习的，以及这种学习发生在大脑的哪个部位。虽然这仍然是基础科学，但这项研究有一天可能会帮助中风或其他脑创伤患者的康复过程，”理查德·安德森说，他是神经科学的詹姆斯·g·博斯威教授，T&C Chen脑机接口中心领导主席，加州理工学院天桥和克丽丝·陈神经科学研究所T&C脑机接口中心主任。这项研究是在安德森的实验室与加州大学洛杉矶分校、卡萨科利纳医院和加州波莫纳医疗中心合作进行的。

这项研究聚焦于大脑中被称为前顶叶内皮层(AIP)的区域。这个区域控制着一个人的意图，特别是移动的意图。例如，当你伸出手去拿起一个物体时，你的AIP首先将你移动的意图编码，然后向控制肌肉、肌腱等运动的大脑区域发送信号。

在加州理工学院博士后学者Sofia Sakellaridi和科学研究员Vassilios Christopoulos的领导下，研究人员与一名四肢瘫痪的成年妇女合作，她的AIP手术植入了微型电极，以控制脑机接口(BMI)系统。BMI测量该区域的神经活动，并可通过编程将这种活动转化为假肢设备(例如，计算机)的指令。通过这种方式，研究参与者可以通过简单的思考来控制电脑屏幕上的光标。

在实验中，给参与者展示一个显示光标的计算机屏幕。当屏幕上的一个特定区域亮起时，她被要求考虑移动她瘫痪的右手腕，就像她在把光标从开始的位置移动到突出显示的位置一样。BMI读取了她移动的神经意图，并相应地移动了光标。

参与者AIP中的神经元以不同的模式放电，取决于她的目标是什么。例如，一些神经元在预期的向上运动时放电，而另一些则在预期的向下运动时放电。前者被称为“调高”，后者被称为“调低”。BMI最初经过校准，使光标完全按照参与者的意图移动。例如，如果她想把光标往下移动，向下调节的神经元就会增加它们的活动，把这个想法转化为光标的移动。

然后，研究人员改变了之间的映射神经活动而光标的移动——例如，如果参与者想把手腕往下移动，光标就会向上。对于一些新的映射，参与者能够适应摄动。在这些案例中，研究人员想知道调整是如何发生的。控制BMI的单个神经元是否学会了向上或向下调整它们的音调?或者当被要求向下移动时，参与者是否学会了思考向上移动?

后者是学习使用一种新的认知策略的一个例子。许多电脑用户都有过类似的适应性认知策略的经验，Christopoulos解释道:“在苹果鼠标垫上，用户必须向上移动手指才能向下滚动。在Windows鼠标上，则相反。在这两种情况下，移动手的‘技能’是相同的，但一个人必须适应不同的映射。”

研究人员发现，参与者有时能够通过改变自己的认知策略来适应光标移动的扰动。例如，她会说她在头脑中重新瞄准光标移动来执行任务。然而，参与者并不总是能够通过采用新的认知策略来解决映射扰动，在这些情况下，研究人员发现，她的大脑并没有产生完全新的神经元活动模式。换句话说，她的适应能力，确切地说，她重新瞄准的能力光标到空间中特定的位置是由被记录的特定神经元的调整所限制的。这表明，一个人学习一项新技能的程度受到预先存在的神经连接的限制。

“这可能并不总是如此，”Sakellaridi说，“由于实验是在一个小时的时间内进行的——因此代表短期学习——AIP很可能需要更多的训练时间来产生新的活动模式，例如，学习新的运动技能。总的来说，我们的研究结果表明，某些类型的学习可能需要更长的时间来改变大脑。”

下一步，科学家们计划通过在AIP以外的区域植入电极的人来研究大脑的不同区域。

一篇描述该研究的论文于3月7日在线发表在该杂志上，题为《人类前顶叶内皮层对脑机接口控制的内在变量学习》神经元．

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