Science｜运动学习可以不用动脑？研究人员在哺乳动物的脊髓中发现能够独立于大脑进行运动学习的神经回路

在一项新的研究中，日本理化学研究所脑科学中心的Aya Takeoka及其同事们发现了脊髓中能够独立于大脑进行运动学习的神经回路。他们发现了两组关键的脊髓神经元：一类神经元对于新的适应性学习过程至关重要，而另一类神经元则在学习过程结束后承担起运动记忆的召回任务。

这些发现为科学家们探索脊髓损伤后运动功能恢复的方法开辟了全新视野。相关研究结果发表在2024年4月12日的Science期刊上，论文标题为“Two inhibitory neuronal classes govern acquisition and recall of spinal sensorimotor adaptation”。

科学家们早就知道，即使没有大脑，脊髓亦可通过反复实践调整其运动输出，这一现象在无头昆虫身上尤为显著，它们的腿部依然可以通过训练来回应外界刺激以实现避障。

然而，这一机制背后的详细原理一直未被破解，仅为一个奇特的现象。

正如Takeoka所解释的那样，“如果我们想了解健康人运动自动性的基础，并利用这些知识发展脊髓损伤后的有效恢复手段，那么深入了解它的内在机制是至关重要的。”

为了探析这一神秘的神经回路，研究团队首先研发了一款实验设备，该设备允许他们在无大脑输入的情况下研究小鼠脊髓的适应性学习和记忆过程。每次测试都有一只实验小鼠和一只后腿自由悬垂的对照小鼠。如果这只实验小鼠的后腿下垂过多，它就会受到电刺激，从而模拟小鼠想要避免的动作。这只对照小鼠在同一时间接受同样的刺激，但与它自己的后腿位置无关。

仅仅过了 10 分钟，他们就观察到只有这只实验小鼠进行了运动学习；它们的腿仍然高高抬起，避免了任何电刺激。这一结果表明，脊髓可以将不愉快的感觉与腿的位置联系起来，并调整其运动输出，使腿避免不愉快的感觉，而这一切都不需要大脑。

24 小时后，他们重复了这种 10 分钟的测试，但将这只实验小鼠和这只对照小鼠颠倒过来。原来的实验小鼠仍然保持着抬腿的姿势，这表明脊髓保留了过去经历的记忆，从而干扰了新的学习。

通过这种方式，研究者们在小鼠脊髓中实现了即时学习和记忆的建立，进而深入探究支撑这一功能的神经回路。他们使用了六种类型的转基因小鼠，每种小鼠都有特定种类的脊髓神经元被暂时抑制，然后分别进行了运动学习和学习逆转的测试。结果显示，位于脊髓顶部的神经元，特别是那些表达Ptf1a基因的神经元，在功能丧失后，小鼠的后肢失去了对电击的有效适应性回避。

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adf6801

而在学习逆转的过程中，沉默表达Ptf1a的神经元并无显著效果。与此相反，位于脊髓底部腹侧的一组表达En1基因的神经元在运动记忆中发挥了关键作用。当在学习回避次日抑制这群神经元时，小鼠的表现就如同未曾学习过任何内容一般。

另外，在记忆回忆的评估中，通过在第二天重复最初的实验条件，研究者发现野生型小鼠的后肢更快地稳定在了回避位置，证明它们具备记忆回忆的能力。进一步地，激活表达En1基因的神经元可将运动回忆的速度提升80%，印证了运动回忆能力的显著增强。

Takeoka说，“这些结果不仅挑战了运动学习和记忆仅局限于大脑回路的普遍观点，而且我们还发现，我们可以操纵脊髓运动回忆，这对于研发旨在改善脊髓损伤后恢复功能的疗法具有极其重大的现实意义。”

参考资料：

Simon Lavaud et al. Two inhibitory neuronal classes govern acquisition and recall of spinal sensorimotor adaptation. Science, 2024, doi:10.1126/science.adf6801.

Scientists discover groups of spinal cord neurons that allow for brain-independent motor learning
https://medicalxpress.com/news/2024-04-scientists-groups-spinal-cord-neurons.html