學習新的運動技能是我們生活中的一個重要方面，從彈鋼琴到騎腳踏車等。但大腦是如何做到這一點的呢？2022年2月9日發表在科學雜誌《科學進展》上的一項新研究揭示了一個新發現的大腦回路，它可能賦予了我們這種非凡的能力。
大腦皮層構成了我們大腦的外層，是最終的多工“執行者”，參與了從語言和認知到記憶和自願行動的一切。但它並不單獨“行動”，而是與許多其他大腦區域建立了廣泛的聯絡。
“我們對大腦皮層中的兩種主要型別的細胞特別感興趣，它們被稱為IT（端腦內側束）和PT（錐體束）神經元，”這項研究的第一作者 Nicolas Morgenstern說，該研究是在葡萄牙里斯本錢巴利莫德基金會的Rui Costa當時領導的小組中展開的。“T和PT細胞都將訊號從大腦皮層傳送到埋藏在大腦深處的另一個區域，稱為紋狀體。這些‘皮質-紋狀體’連線對運動學習非常重要，並與帕金森病等運動障礙有關聯。”
這就是研究中第三個“主要人物”出現的地方：佔紋狀體神經元95%的棘突投射神經元（SPNs）。SPNs是由IT和PT細胞直接接觸的。“我們想了解IT和PT細胞在這個對運動學習和行為非常重要的大腦回路中的不同作用。”
為了更好地瞭解這些皮層間的聯絡，作者利用了（幾乎）每個神經科學家工具箱中的一種技術：光遺傳學，一種用光控制細胞活動的方法。正如Morgenstern所解釋的，“我們在小鼠體內對IT或PT細胞進行了基因工程，使我們能夠使用光遺傳學獨立啟用這些細胞型別，並測量它們對紋狀體中SPNs的不同影響。”
利用這種方法，在記錄體外神經元活動的同時，作者發現了一個新的皮質紋狀體途徑。在這條途徑中，出現了第四個“主要角色”：紋狀體膽鹼能中間神經元（ChIs）。作為三人中繼的“中間人”，紋狀體中的ChIs接受來自PT細胞的輸入，並反過來激發SPNs。Morgenstern說：“我們發現PT細胞優先連線到ChIs，從而間接啟用SPNs。”
使用藥理學方法，作者能夠準確地顯示ChIs如何激發SPNs。當被PT神經元啟用時，ChIs釋放一種叫做乙醯膽鹼（ACh）的神經遞質。神經遞質是化學信使，將訊號從一個細胞傳遞到另一個細胞。當ChIs釋放ACh時，它們會使附近細胞的神經纖維興奮SPN。
這些結果表明，SPNs被激發了兩次：首先，透過已知的直接途徑（IT→SPN和PT→SPN），其次，透過這個以前未知的間接回路（PT→ChI→SPN），它放大了最初的激發。這種雙重激勵的目的是什麼？作者推測，直接的IT→SPN連線最初準備了特定的運動動作，而PT→ChI→SPN連線隨後觸發了運動。
Nicolas Morgenstern指出：“除了運動的執行，由PT神經元介導的這第二個興奮階段可能對透過神經遞質ACh誘導特定連線強度的長期變化很重要。這可能對行為很重要，因為當腦細胞之間的連線發生變化時，學習就會發生。”
因此，除了對控制運動和行為的大腦回路的佈線有所瞭解，並幫助我們理解IT和PT細胞的不同作用之外，這項研究還可能為我們提供了我們如何學習這一難題中的一個重要部分。
該研究的高階作者、哥倫比亞大學祖克曼心智腦行為研究所教授兼主任Rui Costa說：“仍有許多東西需要探索。例如，我們有興趣瞭解這一電路是否在帕金森病或亨廷頓病等疾病中受到影響。”
