學習新技能，只靠神經元可不夠

        無論是小孩子學走路還是大人們學挖掘機（大霧），神經元（neuron）在新技能的學習過程中都發揮著重要的作用。但它們并不是唯一的英雄。近日，倫敦大學學院（University College London）的研究人員們發現，至少在小鼠身上，要學習一項新的運動技能（motor skill），必須還得依賴大腦中另一種細胞——少突膠質細胞（oligodendrocyte，OL）的參與。研究結果發表在《科學》雜志上^[1]。

        作為身體各個部位的指揮員，神經系統可以分為中樞神經系統（Central Neural System）和周圍神經系統（Peripheral Neural System）；前者包括我們的腦和脊髓，仿佛“中央司令部”一般，負責綜合后者“報告”來的各路信息，并做出決策，指揮后者執行。這些信息在單個神經元中都以電信號的方式傳遞——神經元的軸突們就像一根根導線，而髓磷脂（myelin）形成的髓鞘就是它們的“絕緣皮”，促進電信號更快更好地傳遞。中樞神經系統中擔任這一角色的是少突膠質細胞，在周圍神經系統中則是施旺細胞（Schwann cell）。

在中樞神經系統中，少突膠質細胞（OL）能形成突起，延伸至鄰近的軸突并包裹形成髓鞘。髓鞘的形成與諸多因素有關，如發育階段和不同軸突的興奮程度。不是所有的神經元都有髓鞘，不同髓鞘的厚度也有差異。圖片來源：Science

        近年來，研究人員們陸續發現，髓鞘除了先前知道的絕緣功能外，和神經系統的可塑性也息息相關[2]。盡管中樞神經系統大部分髓鞘化過程都發生在年少時，但在成年后相當長的一段時間內，個體中仍存在大量的少突膠質前體細胞（Oligodendrocyte Precursor Cell，OPC）。它們能感知神經活動和生長信號，在不同的情境下分化出少突膠質細胞，形成新的髓鞘，調節神經傳導的路線和速度。

        “從先前關于人類腦白質（注：白質主要以傳導性的軸突構成）的核磁成像研究結果來看，我們覺得少突膠質細胞和髓磷脂可能以某種方式參與了技能學習。”理查德森在一個訪談中說道，“所以我們決定用實驗著手檢驗這個想法。”文章通訊作者威廉·理查德森（William D. Richardson）說。

        怎樣檢測小鼠的動作學習能力呢？研究小組是從小鼠最常用的“健身器材”——跑輪入手的。他們拆掉了普通跑輪上的一些橫桿，制出了間隔不規律的跑輪。在這種“逼死強迫癥”的跑輪上，如果按照平時的步式來跑，小鼠們由于看不見后爪前的“路況”，難免磕磕碰碰。正常小鼠在多次吃癟后，漸漸會開始采用另一種步式：向前邁的后爪會直接落在前爪所在的橫桿上，如此避免踏空。

        
野生型小鼠第一次接觸復雜跑輪時小心翼翼。視頻來源：Science

        在復雜跑輪上奔跑的小鼠會逐漸學會新步式：后爪直接落在前爪所在的橫桿上，以避免踏空。有意思的是，他們發現小鼠們在學會新步式之后，腦白質的結構發生了變化——這意味著髓鞘可能在學習過程中派上了用場。隨后，研究人員檢驗了 OPC 無法成熟的成年小鼠會怎樣表現。他們在小鼠成年后條件性地去掉了它們 OPC 細胞中特有的髓鞘調控因子（Myelin Regulatory Factor, MyRF），這樣既不影響小鼠已經形成的髓鞘，又能讓 OPC 失去分化的功能。結果，這些小鼠果然沒法適應那些不規律的轉輪，跑動速度始終比其它小鼠慢一截。

        
經過七天的訓練，髓鞘調控因子被去除后的小鼠難以適應橫桿不規律的復雜跑輪。視頻來源：Science

        
經過七天的訓練，野生型小鼠已經學會在復雜跑輪上快速奔跑。視頻來源：Science

        “我們很驚訝不同組小鼠的學習能力會如此迅速地產生差別。”說起實驗結果，理查德森感嘆道。“這表明大腦能迅速地回應新激活的回路并包裹以髓鞘，也表明了這一過程能如何改善學習。這個迅速的回應意味著，其它許多軸突路徑可能早就存在與腦中，能夠用于驅動一個特定的動作順序；而大腦能迅速地發現最有效率的回路，并通過髓鞘來選擇并保護選定的路徑。”

        “我們認為這些發現十分振奮人心，因為它們為檢驗少突膠質細胞和髓鞘的功能提供了新的機會。”理查德森說，“我們還能檢驗大腦中的其它進程，例如認知活動（比如走迷宮），來探究學習對新髓鞘的要求是普遍存在的，還是只適用于運動。”

        這些問題不僅會給大腦的認知學習機制帶來新的思路，而且還對不少精神疾病有潛在的意義^[2]。包括精神分裂癥（schizophrenia）和雙相障礙（bipolar disorder，又叫躁郁癥）在內的許多精神疾病都與髓鞘異常相關，也有研究表明在遭遇不良經歷（如社交孤立）時，髓鞘更容易受損。不僅如此，OPC 分化成髓鞘化 OL 的能力會隨著個體年齡的增長而下滑，這項發現也啟示了一些年齡相關的認知衰退問題。

        “我非常想找到學習過程中 OL 與髓鞘發生這些變化的準確順序，以及這些變化是否在某些腦區更加必需。”理查德森表示，“弄清這些可能會給一些依舊令人困擾的問題撥散迷霧，幫助人們理解大腦在生命歷程中如何適應，如何學習。”（編輯：Calo）

        參考文獻：

1. McKenzie, Ian A.， et al. Motor skill learning requires active central myelination. Science 346.6207 (2014): 318-322.
2. Long, Patrick, and Gabriel Corfas. To learn is to myelinate. Science 346.6207 (2014): 298-299.