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学习新技能,只靠神经元可不够

时间:2014-10-25 19:08来源: 作者: 阅读:

无论是小孩子学走路还是大人们学挖掘机(大雾),神经元(neuron)在新技能的学习过程中都发挥着重要的作用。但它们并不是唯一的英雄。近日,伦敦大学学院(University College London)的研究人员们发现,至少在小鼠身上,要学习一项新的运动技能(motor skill),必须还得依赖大脑中另一种细胞——少突胶质细胞(oligodendrocyte,OL)的参与。研究结果发表在《科学》杂志上[1]

作为身体各个部位的指挥员,神经系统可以分为中枢神经系统(Central Neural System)和周围神经系统(Peripheral Neural System);前者包括我们的脑和脊髓,仿佛“中央司令部”一般,负责综合后者“报告”来的各路信息,并做出决策,指挥后者执行。这些信息在单个神经元中都以电信号的方式传递——神经元的轴突们就像一根根导线,而髓磷脂(myelin)形成的髓鞘就是它们的“绝缘皮”,促进电信号更快更好地传递。中枢神经系统中担任这一角色的是少突胶质细胞,在周围神经系统中则是施旺细胞(Schwann cell)。

在中枢神经系统中,少突胶质细胞(OL)能形成突起,延伸至邻近的轴突并包裹形成髓鞘。髓鞘的形成与诸多因素有关,如发育阶段和不同轴突的兴奋程度。不是所有的神经元都有髓鞘,不同髓鞘的厚度也有差异。图片来源:Science

近年来,研究人员们陆续发现,髓鞘除了先前知道的绝缘功能外,和神经系统的可塑性也息息相关[2]。尽管中枢神经系统大部分髓鞘化过程都发生在年少时,但在成年后相当长的一段时间内,个体中仍存在大量的少突胶质前体细胞(Oligodendrocyte Precursor Cell,OPC)。它们能感知神经活动和生长信号,在不同的情境下分化出少突胶质细胞,形成新的髓鞘,调节神经传导的路线和速度。

“从先前关于人类脑白质(注:白质主要以传导性的轴突构成)的核磁成像研究结果来看,我们觉得少突胶质细胞和髓磷脂可能以某种方式参与了技能学习。”理查德森在一个访谈中说道,“所以我们决定用实验着手检验这个想法。”文章通讯作者威廉·理查德森(William D. Richardson)说。

怎样检测小鼠的动作学习能力呢?研究小组是从小鼠最常用的“健身器材”——跑轮入手的。他们拆掉了普通跑轮上的一些横杆,制出了间隔不规律的跑轮。在这种“逼死强迫症”的跑轮上,如果按照平时的步式来跑,小鼠们由于看不见后爪前的“路况”,难免磕磕碰碰。正常小鼠在多次吃瘪后,渐渐会开始采用另一种步式:向前迈的后爪会直接落在前爪所在的横杆上,如此避免踏空。


野生型小鼠第一次接触复杂跑轮时小心翼翼。视频来源:Science

在复杂跑轮上奔跑的小鼠会逐渐学会新步式:后爪直接落在前爪所在的横杆上,以避免踏空。有意思的是,他们发现小鼠们在学会新步式之后,脑白质的结构发生了变化——这意味着髓鞘可能在学习过程中派上了用场。随后,研究人员检验了OPC无法成熟的成年小鼠会怎样表现。他们在小鼠成年后条件性地去掉了它们OPC细胞中特有的髓鞘调控因子(Myelin Regulatory Factor, MyRF),这样既不影响小鼠已经形成的髓鞘,又能让OPC失去分化的功能。结果,这些小鼠果然没法适应那些不规律的转轮,跑动速度始终比其它小鼠慢一截。


经过七天的训练,髓鞘调控因子被去除后的小鼠难以适应横杆不规律的复杂跑轮。视频来源:Science


经过七天的训练,野生型小鼠已经学会在复杂跑轮上快速奔跑。视频来源:Science

“我们很惊讶不同组小鼠的学习能力会如此迅速地产生差别。”说起实验结果,理查德森感叹道。“这表明大脑能迅速地回应新激活的回路并包裹以髓鞘,也表明了这一过程能如何改善学习。这个迅速的回应意味着,其它许多轴突路径可能早就存在与脑中,能够用于驱动一个特定的动作顺序;而大脑能迅速地发现最有效率的回路,并通过髓鞘来选择并保护选定的路径。”

“我们认为这些发现十分振奋人心,因为它们为检验少突胶质细胞和髓鞘的功能提供了新的机会。”理查德森说,“我们还能检验大脑中的其它进程,例如认知活动(比如走迷宫),来探究学习对新髓鞘的要求是普遍存在的,还是只适用于运动。”

这些问题不仅会给大脑的认知学习机制带来新的思路,而且还对不少精神疾病有潜在的意义[2]。包括精神分裂症(schizophrenia)和双相障碍(bipolar disorder,又叫躁郁症)在内的许多精神疾病都与髓鞘异常相关,也有研究表明在遭遇不良经历(如社交孤立)时,髓鞘更容易受损。不仅如此,OPC分化成髓鞘化OL的能力会随着个体年龄的增长而下滑,这项发现也启示了一些年龄相关的认知衰退问题。

“我非常想找到学习过程中OL与髓鞘发生这些变化的准确顺序,以及这些变化是否在某些脑区更加必需。”理查德森表示,“弄清这些可能会给一些依旧令人困扰的问题拨散迷雾,帮助人们理解大脑在生命历程中如何适应,如何学习。”(编辑:Calo)

参考文献:

  1. McKenzie, Ian A., et al. Motor skill learning requires active central myelination. Science 346.6207 (2014): 318-322.
  2. Long, Patrick, and Gabriel Corfas. To learn is to myelinate. Science 346.6207 (2014): 298-299.

文章题图:wordpress.com

(责任编辑:泉水)
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