學習新技能時，大腦在如何發生改變？

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眾所周知，無論是一項運動、一種樂器還是一門手藝，掌握一項新技能都是需要花費時間並進行訓練的。雖然我們都知道健康的大腦能夠應付的來，但是為了開發出新行為大腦如何發生改變科學家們對此仍知之甚少。

近日，美國匹茲堡大學的一個研究團隊發表在《美國國家科學院院刊（PNAS）》上的研究，揭示了當學習者從新手成長為專家時，大腦中發生了什麼。他們發現，隨著長期學習，大腦中出現了新的神經活動模式，並在這些模式和新行為能力之間建立了因果關係。

該研究屬於「認知神經基礎研究中心」的一部分，這是一項跨機構的研究和教育項目，目的是提升匹茲堡大學在基礎和臨床神經科學以及生物工程領域的研究能力，該研究還有卡耐基梅隆大學的認知與計算神經科學專家參與。

研究第一作者、生物工程博士後研究員Emily Oby說：「我們使用了腦-機介面(BCI)，它在研究對象的神經活動和電腦游標的移動之間建立了直接聯繫。我們在研究中要求恆河猴移動屏幕上的游標，使其與目標對齊。在它們執行任務時，我們記錄了其主要運動皮層控制手臂區域大約90個神經單元的活動。」

為了確定恆河猴是否會在學習過程中形成新的神經模式，研究團隊鼓勵它們嘗試一種新的BCI技能，然後將這些記錄與先前的神經模式進行比較。

Oby說：「我們首先向恆河猴展示了一種我們所說的從它們的神經活動到游標的『直觀映射』，這種映射與其神經元的自然放電有關，而且不需要任何學習。然後，我們通過引入一種新映射形式的技能來誘導學習，這種映射要求恆河猴學習需要產生新神經模式才能移動游標。」

就像學習大多數技能一樣，該團隊的BCI任務需要幾個環節的練習和一些指導。

研究通訊作者、生物工程助理教授Aaron Batista說：「我們發現，一周後，我們的實驗對象能夠學會如何控制游標。這非常令人驚訝，因為我們從一開始就知道它們沒有執行這項技能所需的神經活動模式。果然，當在恆河猴學習後觀察它們的神經活動時，我們發現新的神經活動模式已經出現，而這些新模式使猴子能夠執行任務。」

這些發現表明，人類掌握一項新技能的過程也可能涉及到新神經活動模式的產生。

研究共同作者、生物醫學工程助理教授Byron Yu說：「儘管我們只是使用動物對象研究了單一的特定任務，但我們相信這可能就是大腦學習新事物的方式。想一下彈鋼琴所需的手指靈巧度的學習。在練習之前，大腦可能無法產生合適的神經活動模式來實現恰當的手指運動。」

研究共同作者、生物醫學工程助理教授Steven Chase說：「我們認為，長期的練習建立起了新的突觸連接，直接導致新的活動模式的發展，從而產生新能力。我們認為這項研究適用於任何想學習的人，無論是想學習使用腦機介面的癱瘓患者，還是想要重新獲得正常運動能力的中風倖存者。如果可以在運動學習的過程中直接觀察大腦，那我們就能夠設計出神經反饋策略，使形成新神經活動模式的過程更加容易。」

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