掌握一项新技能 - 无论是运动，乐器还是手艺 - 需要时间和训练。虽然人们知道健康的大脑能够学习这些新技能，但大脑如何改变以发展新的行为是一个相对神秘的问题。更精确地了解这种潜在的神经回路可能最终通过使他们更容易重新学习日常任务来改善患有脑损伤的个体的生活质量。
匹兹堡大学和卡内基梅隆大学的研究人员最近在PNAS上发表了一篇文章，揭示了随着学习者从新手到专家的进步，大脑中会发生什么。他们发现新的神经活动模式随着长期学习而出现，并在这些模式和新的行为能力之间建立了因果关系。
该研究是作为认知神经基础中心的一部分进行的，这是一个跨机构研究和教育计划，利用Pitt在基础和临床神经科学和生物工程方面的优势，以及CMU在认知和计算神经科学方面的优势。
该项目由皮特生物工程副教授Aaron Batista共同指导; Byron Yu，CMU电气与计算机工程和生物医学工程副教授; 和生物医学工程副教授，CMU神经科学研究所的Steven Chase。这项工作由皮特生物工程博士后Emily Oby领导。
“我们使用了脑 - 计算机接口(BCI)，它在我们的受试者的神经活动和计算机光标的移动之间建立了直接联系，”Oby说。“我们记录了恒河猴初级运动皮层手臂区域约90个神经单位的活动，因为他们执行的任务是要求他们移动光标以与监视器上的目标对齐。”
为了确定猴子是否会在学习时形成新的神经模式，研究小组鼓励动物尝试新的BCI技能，然后将这些记录与预先存在的神经模式进行比较。
“我们首先向猴子展示了我们所谓的'直观映射'，从他们的神经活动到光标，它与神经元自然发射的方式有关，并且不需要任何学习，”Oby说。“然后我们通过引入一种新颖映射形式的技巧来促进学习，这种技巧要求受试者学习他们需要产生什么样的神经模式才能移动光标。”
就像学习大多数技能一样，该小组的BCI任务需要多次练习和一些辅导。
“我们发现一周后，我们的主题能够学习如何控制光标，”巴蒂斯塔说。“这很引人注目，因为通过构建，我们从一开始就知道他们没有执行这项技能所需的神经活动模式。果然，当我们在学习后再次观察神经活动时，我们看到了新的神经活动模式出现了，这些新模式使猴子能够完成任务。“
这些研究结果表明，人类掌握新技能的过程也可能涉及新神经活动模式的产生。
“尽管我们正在研究动物科目中的这一具体任务，但我们相信这可能是大脑学习许多新事物的方式，”余说。“考虑学习在钢琴上演奏复杂片段所需的手指灵活性。在练习之前，你的大脑可能还无法产生适当的活动模式来产生所需的手指动作。”
“我们认为扩展实践可以建立新的突触连接，直接导致开发新的活动模式，从而实现新的能力，”Chase说。“我们认为这项工作适用于任何想要学习的人 - 无论是学习使用大脑 - 计算机界面的瘫痪个体还是想要恢复正常运动功能的中风幸存者。如果我们可以在运动期间直接观察大脑学习，我们相信我们可以设计神经反馈策略，促进导致新神经活动模式形成的过程。“