学习新技能，只靠神经元可不够

        无论是小孩子学走路还是大人们学挖掘机（大雾），神经元（neuron）在新技能的学习过程中都发挥着重要的作用。但它们并不是唯一的英雄。近日，伦敦大学学院（University College London）的研究人员们发现，至少在小鼠身上，要学习一项新的运动技能（motor skill），必须还得依赖大脑中另一种细胞——少突胶质细胞（oligodendrocyte，OL）的参与。研究结果发表在《科学》杂志上^[1]。

        作为身体各个部位的指挥员，神经系统可以分为中枢神经系统（Central Neural System）和周围神经系统（Peripheral Neural System）；前者包括我们的脑和脊髓，仿佛“中央司令部”一般，负责综合后者“报告”来的各路信息，并做出决策，指挥后者执行。这些信息在单个神经元中都以电信号的方式传递——神经元的轴突们就像一根根导线，而髓磷脂（myelin）形成的髓鞘就是它们的“绝缘皮”，促进电信号更快更好地传递。中枢神经系统中担任这一角色的是少突胶质细胞，在周围神经系统中则是施旺细胞（Schwann cell）。

在中枢神经系统中，少突胶质细胞（OL）能形成突起，延伸至邻近的轴突并包裹形成髓鞘。髓鞘的形成与诸多因素有关，如发育阶段和不同轴突的兴奋程度。不是所有的神经元都有髓鞘，不同髓鞘的厚度也有差异。图片来源：Science

        近年来，研究人员们陆续发现，髓鞘除了先前知道的绝缘功能外，和神经系统的可塑性也息息相关[2]。尽管中枢神经系统大部分髓鞘化过程都发生在年少时，但在成年后相当长的一段时间内，个体中仍存在大量的少突胶质前体细胞（Oligodendrocyte Precursor Cell，OPC）。它们能感知神经活动和生长信号，在不同的情境下分化出少突胶质细胞，形成新的髓鞘，调节神经传导的路线和速度。

        “从先前关于人类脑白质（注：白质主要以传导性的轴突构成）的核磁成像研究结果来看，我们觉得少突胶质细胞和髓磷脂可能以某种方式参与了技能学习。”理查德森在一个访谈中说道，“所以我们决定用实验着手检验这个想法。”文章通讯作者威廉·理查德森（William D. Richardson）说。

        怎样检测小鼠的动作学习能力呢？研究小组是从小鼠最常用的“健身器材”——跑轮入手的。他们拆掉了普通跑轮上的一些横杆，制出了间隔不规律的跑轮。在这种“逼死强迫症”的跑轮上，如果按照平时的步式来跑，小鼠们由于看不见后爪前的“路况”，难免磕磕碰碰。正常小鼠在多次吃瘪后，渐渐会开始采用另一种步式：向前迈的后爪会直接落在前爪所在的横杆上，如此避免踏空。

        
野生型小鼠第一次接触复杂跑轮时小心翼翼。视频来源：Science

        在复杂跑轮上奔跑的小鼠会逐渐学会新步式：后爪直接落在前爪所在的横杆上，以避免踏空。有意思的是，他们发现小鼠们在学会新步式之后，脑白质的结构发生了变化——这意味着髓鞘可能在学习过程中派上了用场。随后，研究人员检验了 OPC 无法成熟的成年小鼠会怎样表现。他们在小鼠成年后条件性地去掉了它们 OPC 细胞中特有的髓鞘调控因子（Myelin Regulatory Factor, MyRF），这样既不影响小鼠已经形成的髓鞘，又能让 OPC 失去分化的功能。结果，这些小鼠果然没法适应那些不规律的转轮，跑动速度始终比其它小鼠慢一截。

        
经过七天的训练，髓鞘调控因子被去除后的小鼠难以适应横杆不规律的复杂跑轮。视频来源：Science

        
经过七天的训练，野生型小鼠已经学会在复杂跑轮上快速奔跑。视频来源：Science

        “我们很惊讶不同组小鼠的学习能力会如此迅速地产生差别。”说起实验结果，理查德森感叹道。“这表明大脑能迅速地回应新激活的回路并包裹以髓鞘，也表明了这一过程能如何改善学习。这个迅速的回应意味着，其它许多轴突路径可能早就存在与脑中，能够用于驱动一个特定的动作顺序；而大脑能迅速地发现最有效率的回路，并通过髓鞘来选择并保护选定的路径。”

        “我们认为这些发现十分振奋人心，因为它们为检验少突胶质细胞和髓鞘的功能提供了新的机会。”理查德森说，“我们还能检验大脑中的其它进程，例如认知活动（比如走迷宫），来探究学习对新髓鞘的要求是普遍存在的，还是只适用于运动。”

        这些问题不仅会给大脑的认知学习机制带来新的思路，而且还对不少精神疾病有潜在的意义^[2]。包括精神分裂症（schizophrenia）和双相障碍（bipolar disorder，又叫躁郁症）在内的许多精神疾病都与髓鞘异常相关，也有研究表明在遭遇不良经历（如社交孤立）时，髓鞘更容易受损。不仅如此，OPC 分化成髓鞘化 OL 的能力会随着个体年龄的增长而下滑，这项发现也启示了一些年龄相关的认知衰退问题。

        “我非常想找到学习过程中 OL 与髓鞘发生这些变化的准确顺序，以及这些变化是否在某些脑区更加必需。”理查德森表示，“弄清这些可能会给一些依旧令人困扰的问题拨散迷雾，帮助人们理解大脑在生命历程中如何适应，如何学习。”（编辑：Calo）

        参考文献：

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.