跑得越快，学得越快？

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跑得越快，学得越快？

2018 年 4 月 18 日 中国生物技术网

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4月16日发表在在《Nature Neuroscience》上的一项新研究中，来自葡萄牙里斯本帕利默未知技术的研究中心的研究结果显示：小鼠跑得越快，它学习能力也越强。

该研究的第一作者Catarina Albergaria说：“在这项研究中，我们可以通过使小鼠跑得更快的方法来使它们学习能力更好。”

Catarina Albergaria博士（左二）Megan Carey博士（右一）

图像来源: Paco Romero

这个神经科学家团队本来是要打算研究一些其他的东西。Albergaria补充道：“我们的最初目标是将大脑中的细胞可塑性与学习联系到一起。但最终，我们却了解了小脑中的一部分神经回路是如何通过学习运动任务来改变的。

研究负责人Megan Carey说：“小脑对于熟练运动的学习非常重要。它能够在面对环境变化的时候调整运动，从而精确地协调身体。”

为了弄清楚伴随学习的小脑细胞的变化，研究人员使用了一种经典的条件学习任务，类似于巴甫洛夫的著名的条件行为实验：当狗听到铃铛声时，它就会流口水，因为它曾经学习过将铃声与喂食联系到一起。

在这项实验中，当小鼠在跑步机上跑步时，它们必须学会在出现闪光的时候立即闭上眼睛，因为出现闪光之后会有一股气流吹到它们的眼睛上（这会引起反射性的眨眼）。这种学习形式发生在小脑中。

然而，科学家们试图研究这个问题的实验并没有奏效。他们没有观察到学习任务产生的作用，因为他们从不同小鼠身上获得的数据变化太大，甚至同一小鼠在不同的实验中得到的结果也不同。到底是什么导致实验遭受了噪音污染？Albergaria回忆说：“长期以来这些实验一直不成功。”

在最近的某一时刻，他们似乎理解这是为什么了。因为他们使用的点突变小鼠没有办法跑得很好。当考虑到跑步速度时，数据中的“噪声”就消失了。此外，如果所有的小鼠都被要求以更快的速度奔跑时，它们的学习曲线就会非常相似，而且获得了最大的眼睑调节能力。Carey说：“这是非常令人惊讶的结果。”

这一结果证实，跑步速度和学习能力增强之间存在因果关系，而不仅仅是相关性。作者们在论文中写道：“这项发现表明，从外部对跑步速度施加变化能够有效地调节学习能力。这一发现提供了因果性的证据，即增加运动量可以增强学习能力。”

研究团队进一步发现，一旦小鼠学会了这项任务，它们后续完成该任务的能力仍然取决于跑步速度。Albergaria说：“当我们减慢跑步机的速度时，小鼠的表现就下降，而这一过程仅发生在几秒钟内。这就是之前的实验中学习能力出现随机变化的原因，而我们一直在试图消除这种变化。接下来，我们想要弄清楚跑步和学习之间关联背后的大脑机制。”

这种增强作用发生在大脑中的哪个部位？首先，科学家们想要了解，跑步对学习的影响是否与视觉系统有关？比如，是不是因为小鼠在跑步的过程中看得更清楚，所以学习得更好？

他们使用其他种类的感官刺激来训练小鼠在气流出现之前闭眼（比如听到某个音调，或者感觉到胡须振动）。但事实上，他们发现，对于所有的感觉形式来说，跑步速度对学习能力的影响都是相同的，而不仅仅是视觉刺激。

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。这表明可能是在感觉信号（包括视觉、听觉和触觉信号）在大脑皮层区域被处理之后发生的。随后研究人员将注意力转向了小脑。

研究人员利用光遗传学技术直接刺激特定神经元。这些神经元通过被称为苔状纤维的轴突向小脑传递信号。Albergaria说：“我们利用对小脑直接地刺激取代了运动行为，结果发现，如果能够增强苔状纤维的活动，就能够提高学习能力。于是，我们在小脑中发现了这种调节作用发生的区域。”

那么对于人类呢？Albergaria说：“在所有的物种中，小脑都是一个比较保守的结构，这里面存在很多所有物种共有的回路。”她推测，这项发现很有可能也适合于人类其他形式的小脑学习。她说：“这项发现的一个意义是，我们不一定非得依赖运动，任何能够刺激苔状纤维活动的东西都能够对学习产生同样的调节作用。然而，我们还不知道这对于其他的非小脑学习类型是否有效。”

如果的确如此，这可能对于人类的学习具有通用意义。有没有想过为什么有时遇到难题的时候你需要在屋里走来走去？也许是因为我们在走路的时候可以更好地思考，更好地组织想法。Carey说：“我们常常认为调节大脑的可塑性能够使人们更快地学习，学得慢的人也可以得到改善，但必须使用药物。而这项研究发现，我们只需要控制小鼠跑步速度就能够使它们学习能力得到改善。我们接下来需要弄清楚这种现象是否也适用于人类的小脑学习形式以及其他学习形式，这将非常有趣。”