研究揭示當掌握一項新技能時，大腦是如何變化的？

掌握一項新技能-無論是運動、樂器還是手藝-都需要時間和訓練。雖然人們知道一個健康的大腦有能力學習這些新的技能，但是大腦如何通過改變來發展新的行為卻是一個相對的謎。對這些潛在的神經迴路的更精確的了解，最終可能會使那些遭受腦損傷的人更容易地重新學習日常任務，從而提高他們的生活質量。

匹茲堡大學和卡內基梅隆大學的研究人員最近發表了一篇文章PNAS這揭示了隨著學習者從新手到專家，大腦中發生的事情。他們發現，隨著長期學習，新的神經活動模式出現，並在這些模式與新的行為能力之間建立了因果關係。

這項研究是作為認知神經基礎中心的一部分進行的，這是一個跨機構的研究和教育項目，利用Pitt在基礎和臨床神經科學和生物工程方面的優勢，以及CMU在認知和計算神經科學方面的優勢。

該項目由Pitt生物工程副教授Aaron Batista、CMU電氣和計算機工程及生物醫學工程副教授Byron Yu和CMU神經科學研究所生物醫學工程副教授Steven Chase共同指導。這項研究由皮特生物工程博士後艾米莉·奧比領導。

Oby說：「我們使用了一個腦-計算機介面(BCI)，它在被試的神經活動和計算機游標的移動之間建立了直接聯繫。」「我們記錄了恆河猴初級運動皮層手臂區域大約90個神經單元的活動情況，因為它們執行一項任務，要求它們移動游標以與顯示器上的目標保持一致。」

為了確定猴子是否會在學習過程中形成新的神經模式，研究小組鼓勵這些動物嘗試一種新的腦梗死技術，然後將這些記錄與先前存在的神經模式進行比較。

奧比說：「我們首先向猴子展示了一種我們所說的『直觀映射』，從它們的神經活動到游標，這與它們的神經元是如何自然激發的，這不需要任何學習。」「然後，我們通過引入一種新的映射形式，引入一種技能來誘導學習，這種映射要求被試了解他們需要產生什麼樣的神經模式才能移動游標。」

就像學習大部分技能一樣，該小組的BCI任務需要幾次練習和一些指導。

巴蒂斯塔說：「我們發現，一周後，我們的受試者能夠學會如何控制游標。」「這是驚人的，因為通過構造，我們從一開始就知道它們沒有完成這項技能所需的神經活動模式。果然，當我們在學習之後再次觀察神經活動時，我們看到了新的神經活動模式的出現，而這些新模式正是使猴子能夠完成這項任務的原因。」

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的神經活動模式的產生。

「雖然我們正在研究動物實驗中的這一特定任務，但我們相信這可能是大腦學習許多新事物的方式，」Yu說。「考慮一下在鋼琴上彈奏一首複雜樂曲所需要的手指靈巧。在練習之前，你的大腦可能還無法產生適當的活動模式來產生所需的手指動作。」

蔡斯說：「我們認為，延伸的練習建立了新的突觸連接，直接導致新的活動模式的發展，使新的能力。」「我們認為這項工作適用於任何想要學習的人-無論是使用腦-電腦介面學習癱瘓的個體，還是想恢復正常運動功能的中風倖存者。如果我們能夠在運動學習期間直接觀察大腦，我們相信我們可以設計出神經反饋策略，以促進形成新的神經活動模式的過程。」

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