导读：近日来自加州大学伯克利分校和葡萄牙未知技术研究中心（Champalimaud Centre for the Unknown）的神经科学家们在新研究中证实大脑远比我们原先想象的更具灵活性和可训练性。这一研究发现为研发出思维控制的假肢装置帮助脊髓损伤、截肢和其他病损的患者开启了大门。
近日来自加州大学伯克利分校和葡萄牙未知技术研究中心（Champalimaud Centre for the Unknown）的神经科学家们在新研究中证实大脑远比我们原先想象的更具灵活性和可训练性。经过一个称为可塑性的过程，大脑的部分区域可被训练完成正常情况下无法执行的任务。这一研究发现为研发出思维控制的假肢装置帮助脊髓损伤、截肢和其他病损的患者开启了大门。相关研究论文于3月4日在线发表在Nature杂志上。
在过去的十年里，利用脑电波来控制无形的物质已经走出了特技表演和通灵学的范畴，进入到新兴的神经修复学领域。来自加州大学伯克利分校的研究人员长期从事自然运动中的大脑回路研究，希望能通过模拟这些运动过程来开发出假肢器官装置。
加州大学伯克利分校电子工程学、认知科学和神经科学副教授Jose Carmena说：“我们希望我们对于大脑线路的新见解将能够推动开发出在感知上尽可能接近我们四肢的更好的具有更广泛用途的假肢设备。新发现借助学习控制BMI（脑机接口）揭示了抽象技能学习过程中利用的一种大脑固有环路。”
在过去的研究中，研究人员在学习使用假肢设备时无法将身体运动作用排除在外。Carmena说：“大部分脑机接口研究均在健康的、四肢健全的动物中开展。我们的研究表明即便不涉及身体运动，也可以进行神经修复控制。”
为了澄清这些问题，科学家们设计了一个巧妙的实验，在没有明显身体运动情况下让大鼠完成一种完全抽象的任务。研究人员借助于大鼠胡须抽动与食物奖赏实验解析了这一过程中靶向运动神经的作用。
研究人员给大鼠装上了可将脑电波转化为听觉音的脑机接口。为了得到食物奖励，小鼠不得不调节它们的特异脑环路内思维模式以提高或降低信号强度。听觉反馈被给予大鼠让它们学习将特异的思维模式与特定的听觉音联系起来。在短短的两周内，小鼠很快就学会要得到食物球，它们就要创造出一个高听觉音，要得到糖水，它们就必须创造出一个低听觉音。如果任务中的一组神经元参与调控了它们的标准功能——胡须抽动——那么就不会有音调改变，因此也不会有食物奖赏。
研究人员发现这种听觉音的调控是通过大鼠通过调节初级运动皮层活性实现的。研究证实皮质纹状体可塑性是抽象技能学习的必要条件，神经修复性运动利用了自然运动学习中的神经回路。研究结果还表明这些学习性的神经修复行为并非是习惯性行为，而是一种带有意图性和直接目的性的行为。Costa说，大鼠会根据它们自身的饥饿或口渴程度调节音量从而控制摄入食物颗粒或糖水的量、行动时间，以及如何在缺乏身体运动的情况下去完成它。
研究人员希望上述研究发现将推动研发出能够感受自然的新一代假肢装置。“我们希望让人们觉得用大脑来移动他们的机械手臂并非是件辛苦的事情。”Carmena说。
Corticostriatal plasticity is necessary for learning intentional neuroprosthetic skills
Aaron C. Koralek, Xin Jin, John D. Long II, Rui M. Costa & Jose M. Carmena
The ability to learn new skills and perfect them with practice applies not only to physical skills but also to abstract skills1, like motor planning or neuroprosthetic actions. Although plasticity in corticostriatal circuits has been implicated in learning physical skills it remains unclear if similar circuits or processes are required for abstract skill learning. Here we use a novel behavioural task in rodents to investigate the role of corticostriatal plasticity in abstract skill learning. Rodents learned to control the pitch of an auditory cursor to reach one of two targets by modulating activity in primary motor cortex irrespective of physical movement. Degradation of the relation between action and outcome, as well as sensory-specific devaluation and omission tests, demonstrate that these learned neuroprosthetic actions are intentional and goal-directed, rather than habitual. Striatal neurons change their activity with learning, with more neurons modulating their activity in relation to target-reaching as learning progresses. Concomitantly, strong relations between the activity of neurons in motor cortex and the striatum emerge. Specific deletion of striatal NMDA receptors impairs the development of this corticostriatal plasticity, and disrupts the ability to learn neuroprosthetic skills. These results suggest that corticostriatal plasticity is necessary for abstract skill learning, and that neuroprosthetic movements capitalize on the neural circuitry involved in natural motor learning.
文献链接：https://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature10845.html
