近日，以色列理工學(xué)院（Technion）魯思與布魯斯·拉帕波特醫(yī)學(xué)院（Ruth and Bruce Rappaport Faculty of Medicine）和安德魯與厄娜·維特比電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院（Andrew and Erna Viterbi Faculty of Electrical and Computer Engineering）的研究人員聯(lián)合開(kāi)展的一項(xiàng)跨學(xué)科研究，揭示了一個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)：局部釋放的多巴胺（dopamine）在學(xué)習(xí)新的運(yùn)動(dòng)技能中起著關(guān)鍵作用。 這一研究成果已發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。

多巴胺如何影響運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)？

從書(shū)寫、打字，到演奏樂(lè)器或掌握一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)技能，學(xué)習(xí)基于運(yùn)動(dòng)的任務(wù)是大腦面臨的最復(fù)雜挑戰(zhàn)之一。該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)先進(jìn)的神經(jīng)成像和神經(jīng)抑制技術(shù)，探索了運(yùn)動(dòng)皮層在技能學(xué)習(xí)過(guò)程中如何重組神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并揭示了多巴胺在這一過(guò)程中不可或缺的作用。

研究由Dr. Hadas Benisty、Prof. Jackie Schiller 和 M.D./Ph.D. 學(xué)生 Amir Ghanayim 領(lǐng)導(dǎo)，同時(shí)得到了Prof. Ronen Talmon 和 Avigail Cohen-Rimon 的貢獻(xiàn)。

研究指出，學(xué)習(xí)新運(yùn)動(dòng)技能主要在初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（primary motor cortex） 進(jìn)行，這是負(fù)責(zé)規(guī)劃和執(zhí)行自愿運(yùn)動(dòng)的大腦區(qū)域。過(guò)去已有研究表明，隨著技能的掌握，該區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)會(huì)發(fā)生變化，但驅(qū)動(dòng)這些變化的具體機(jī)制一直未完全清楚。

研究發(fā)現(xiàn)：從“初學(xué)者”到“專家”，多巴胺是關(guān)鍵

研究團(tuán)隊(duì)采用鈣成像技術(shù)（calcium imaging） 記錄活體小鼠運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程中的神經(jīng)活動(dòng)，并使用化學(xué)遺傳學(xué)抑制技術(shù)（chemogenetic inhibition） 控制特定腦細(xì)胞的功能。他們發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)從“初學(xué)者”模式向“專家”模式轉(zhuǎn)變，而這一過(guò)程依賴于多巴胺在運(yùn)動(dòng)皮層的局部釋放。

通常情況下，多巴胺由腹側(cè)被蓋區(qū)（ventral tegmental area, VTA） 的神經(jīng)元輸送至運(yùn)動(dòng)皮層，研究人員推測(cè)，這種釋放會(huì)觸發(fā)神經(jīng)可塑性機(jī)制，增強(qiáng)神經(jīng)元之間的功能連接，使運(yùn)動(dòng)技能得以存儲(chǔ)并用于未來(lái)的運(yùn)動(dòng)控制。本質(zhì)上，這是一種強(qiáng)化學(xué)習(xí)（reinforcement learning）機(jī)制，即成功的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)會(huì)加強(qiáng)大腦內(nèi)部的神經(jīng)連接。

如果阻斷多巴胺會(huì)發(fā)生什么？

為了驗(yàn)證多巴胺的必要性，研究人員在實(shí)驗(yàn)中阻斷了初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的多巴胺釋放，并觀察神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)及小鼠的學(xué)習(xí)過(guò)程。結(jié)果顯示：當(dāng)多巴胺釋放被阻斷時(shí)，小鼠完全無(wú)法學(xué)會(huì)新的運(yùn)動(dòng)技能，其運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也保持靜止?fàn)顟B(tài)。但一旦恢復(fù)多巴胺釋放，學(xué)習(xí)能力隨即恢復(fù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也開(kāi)始重新組織。

值得注意的是，研究還發(fā)現(xiàn)，阻斷多巴胺并不會(huì)影響小鼠執(zhí)行已學(xué)會(huì)的運(yùn)動(dòng)技能，這表明多巴胺對(duì)于學(xué)習(xí)新動(dòng)作至關(guān)重要，但對(duì)執(zhí)行已掌握的技能并非必需。

研究意義及臨床啟示

該研究為理解大腦可塑性（brain plasticity）和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)機(jī)制提供了新的證據(jù)，強(qiáng)調(diào)了大腦在整個(gè)生命過(guò)程中不斷重組自身，以提高運(yùn)動(dòng)技能的能力。此外，研究成果對(duì)帕金森病（Parkinson’s disease）等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療可能具有重要意義，因?yàn)榕两鹕』颊叩亩喟桶匪浇档?，?dǎo)致運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力受損。這一發(fā)現(xiàn)或可為未來(lái)的神經(jīng)康復(fù)治療提供新的方向。

這項(xiàng)研究不僅加深了人們對(duì)運(yùn)動(dòng)皮層如何通過(guò)多巴胺信號(hào)進(jìn)行學(xué)習(xí)和重組的理解，也為開(kāi)發(fā)新的神經(jīng)調(diào)控方法提供了理論支持，或許能幫助更多因神經(jīng)疾病或損傷而失去運(yùn)動(dòng)能力的人群重新學(xué)習(xí)動(dòng)作。

參考文獻(xiàn)：Amir Ghanayim et al, VTA projections to M1 are essential for reorganization of layer 2-3 network dynamics underlying motor learning,?Nature Communications?(2025).?DOI: 10.1038/s41467-024-55317-4

編輯：王洪

排版：李麗