跑得越快，學得越快？

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4月16日發表在在《Nature Neuroscience》上的一項新研究中，來自葡萄牙里斯本帕利默未知技術的研究中心的研究結果顯示：小鼠跑得越快，它學習能力也越強。

該研究的第一作者Catarina Albergaria說：「在這項研究中，我們可以通過使小鼠跑得更快的方法來使它們學習能力更好。」

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

圖像來源: Paco Romero

這個神經科學家團隊本來是要打算研究一些其他的東西。Albergaria補充道：「我們的最初目標是將大腦中的細胞可塑性與學習聯繫到一起。但最終，我們卻了解了小腦中的一部分神經迴路是如何通過學習運動任務來改變的。

研究負責人Megan Carey說：「小腦對於熟練運動的學習非常重要。它能夠在面對環境變化的時候調整運動，從而精確地協調身體。」

為了弄清楚伴隨學習的小腦細胞的變化，研究人員使用了一種經典的條件學習任務，類似於巴甫洛夫的著名的條件行為實驗：當狗聽到鈴鐺聲時，它就會流口水，因為它曾經學習過將鈴聲與餵食聯繫到一起。

在這項實驗中，當小鼠在跑步機上跑步時，它們必須學會在出現閃光的時候立即閉上眼睛，因為出現閃光之後會有一股氣流吹到它們的眼睛上（這會引起反射性的眨眼）。這種學習形式發生在小腦中。

然而，科學家們試圖研究這個問題的實驗並沒有奏效。他們沒有觀察到學習任務產生的作用，因為他們從不同小鼠身上獲得的數據變化太大，甚至同一小鼠在不同的實驗中得到的結果也不同。到底是什麼導致實驗遭受了噪音污染？Albergaria回憶說：「長期以來這些實驗一直不成功。」

在最近的某一時刻，他們似乎理解這是為什麼了。因為他們使用的點突變小鼠沒有辦法跑得很好。當考慮到跑步速度時，數據中的「雜訊」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時，它們的學習曲線就會非常相似，而且獲得了最大的眼瞼調節能力。Carey說：「這是非常令人驚訝的結果。」

這一結果證實，跑步速度和學習能力增強之間存在因果關係，而不僅僅是相關性。作者們在論文中寫道：「這項發現表明，從外部對跑步速度施加變化能夠有效地調節學習能力。這一發現提供了因果性的證據，即增加運動量可以增強學習能力。」

研究團隊進一步發現，一旦小鼠學會了這項任務，它們後續完成該任務的能力仍然取決於跑步速度。Albergaria說：「當我們減慢跑步機的速度時，小鼠的表現就下降，而這一過程僅發生在幾秒鐘內。這就是之前的實驗中學習能力出現隨機變化的原因，而我們一直在試圖消除這種變化。接下來，我們想要弄清楚跑步和學習之間關聯背後的大腦機制。」

這種增強作用發生在大腦中的哪個部位？首先，科學家們想要了解，跑步對學習的影響是否與視覺系統有關？比如，是不是因為小鼠在跑步的過程中看得更清楚，所以學習得更好？

他們使用其他種類的感官刺激來訓練小鼠在氣流出現之前閉眼（比如聽到某個音調，或者感覺到鬍鬚振動）。但事實上，他們發現，對於所有的感覺形式來說，跑步速度對學習能力的影響都是相同的，而不僅僅是視覺刺激。

這種共性意味著，驅動學習增強的神經過程獨立於所涉及的感覺系統。這表明可能是在感覺信號（包括視覺、聽覺和觸覺信號）在大腦皮層區域被處理之後發生的。隨後研究人員將注意力轉向了小腦。

研究人員利用光遺傳學技術直接刺激特定神經元。這些神經元通過被稱為苔狀纖維的軸突向小腦傳遞信號。Albergaria說：「我們利用對小腦直接地刺激取代了運動行為，結果發現，如果能夠增強苔狀纖維的活動，就能夠提高學習能力。於是，我們在小腦中發現了這種調節作用發生的區域。」

那麼對於人類呢？Albergaria說：「在所有的物種中，小腦都是一個比較保守的結構，這裡面存在很多所有物種共有的迴路。」她推測，這項發現很有可能也適合於人類其他形式的小腦學習。她說：「這項發現的一個意義是，我們不一定非得依賴運動，任何能夠刺激苔狀纖維活動的東西都能夠對學習產生同樣的調節作用。然而，我們還不知道這對於其他的非小腦學習類型是否有效。」

如果的確如此，這可能對於人類的學習具有通用意義。有沒有想過為什麼有時遇到難題的時候你需要在屋裡走來走去？也許是因為我們在走路的時候可以更好地思考，更好地組織想法。Carey說：「我們常常認為調節大腦的可塑性能夠使人們更快地學習，學得慢的人也可以得到改善，但必須使用藥物。而這項研究發現，我們只需要控制小鼠跑步速度就能夠使它們學習能力得到改善。我們接下來需要弄清楚這種現象是否也適用於人類的小腦學習形式以及其他學習形式，這將非常有趣。」

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