熟能生巧，但这是如何实现的？两个神经科学家小组使用核磁共振脑成像技术，上个月宣布他们能够观察到人们在掌握一项新技能后大脑内部发生的变化。令人惊讶的是，发生变化的大脑部分竟然没有神经元或突触！在学习过程中发生的脑部重塑出现在大脑神秘且仍未被广泛探索的“白质”区域。
“灰质”是聪明的代名词，但实际上，人脑中只有一半是灰质。“另一种大脑组织”白质却很少被提及。大脑皮层的神经元聚集在大脑的顶层，在那里它们通过突触连接在一起。学习发生在灰质中，通过加强突触或形成新的突触，将神经元连接成新的回路。
但在大脑的表层之下，是一个密集的纤维网络，它们像意大利面条一样纠缠在一起，其复杂程度令人难以研究或理解。这些纤维是从灰质神经元延伸出来的、像电线的轴突，它们传递电脉冲。就像埋在地下的电话线一样，这些紧密捆扎的电缆远距离传输信息，在专门执行复杂认知功能不同方面的大脑皮层遥远区域之间进行通信。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑订阅我们的获奖新闻报道，以支持我们 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
为了理解白质的重要性，请思考一下一个左外野手跳过围墙在空中接住棒球时，他棒球帽下发生的事情。他大脑后部的视觉处理系统感知并追踪飞行物体，同时监控场地上的所有其他物体，运动员跑动以接球。然后，他大脑顶叶的运动控制中心启动，以使他的身体沿跑动轨迹拦截飞行物。最后，精确计时的精细运动控制将他的手臂伸向空中，以毫米级的精度在正确的时间握紧手指，将高速飞行的球从空中摘下。与此同时，该运动员同时感知到球场上变化的情况，如跑垒员前进和策略展开，以便他能做出关键的瞬间决定——“我是拿着球还是将它掷向本垒？”这种更高层次的决策是在额叶中计算的，就在眉毛后面。所有这些重要的通信都扫过整个大脑，从颅骨后部到前部，以激活大脑皮层中专门执行技能各个方面的不同区域。
这就是白质的工作——远距离快速通信。该组织是白色的，因为许多轴突都覆盖着称为髓磷脂的紧密包裹的电绝缘层。这种由非神经元细胞（称为少突胶质细胞）制成的绝缘层，使电脉冲的传输速度比裸露轴突的传输速度快100倍。接棒球的复杂技能与巴甫洛夫和他流口水的狗学习将铃声与食物联系起来相去甚远。技能学习可能涉及不同的机制。掌握诸如接高飞球之类的新技能所涉及的那种复杂学习，需要时间来学习，并且需要数天、数周或数年的重复练习。这种类型的学习是这些神经科学家敢于攻克的难题。
在第一项研究中，英国牛津大学的 Jan Scholz 及其同事使用核磁共振脑成像技术，对 48 名右撇子成年人的大脑进行了详细扫描。然后，他们教其中一半人玩杂耍。任何尝试过掌握三球抛掷的人都知道玩杂耍有多么困难，以及学习它需要多少练习。但是，就像学习骑自行车一样，一旦掌握了复杂的技能，一切都会突然“点击”，并且该过程会神秘地变得自动。学习阅读也是如此，这是第二个研究小组调查的内容，但首先让我们看一下引人入胜的研究，它窥探了杂耍者的大脑。
训练六周后，杂耍者的大脑重新进行了扫描，另一半没有接受杂耍训练的人也一样。未经训练的个体构成了至关重要的实验对照组，这使得研究人员可以检查在杂耍者身上发现的任何大脑变化是否可能是偶然发生的。研究人员发现，在学习玩杂耍后，已知处理视觉运动处理的皮质区域下方的白质结构变得更有组织（右后顶内沟，IPS）。一个月后，在没有任何进一步训练的情况下进行的第三次核磁共振扫描显示，杂耍者大脑该区域的白质变化仍然很明显。
该研究的主要作者，一位杂耍者本人，对于看到大脑这部分区域的变化并不感到太惊讶，“这是一个视觉运动整合的区域，这是学习玩杂耍的一个重要方面，”她告诉我。“IPS 对于快速、精确的手臂和抓取动作与杂耍球的视觉跟踪的协调非常重要。”但令人惊讶的是，大脑这部分的白质区域竟然发生了变化。不出所料，在这些白质纤维上方的灰质中也发现了变化，但灰质的变化似乎与白质的变化无关。“白质的变化似乎主要与训练或活动有关。相比之下，一旦触发，灰质的变化似乎即使在停止训练 4 周后仍会继续，这表明其潜在机制更加缓慢。”树突或血管供应的变化可能导致了灰质的变化，但白质呢？
脑成像无法准确地告诉我们在学习玩杂耍后，白质中细胞水平发生了什么变化。这种称为扩散张量成像的技术对白质中纤维之间水的扩散均匀程度敏感。纤维直径越大，轴突的密度越高，或者髓磷脂绝缘层的包裹越厚，水沿着纤维的流动性就比在各个方向上流动性更好。正如油漆会向上流过油漆刷的刷毛，但污渍会在地毯的纤维中对称扩散，因为它们的组织性较差一样，这些白质束携带协调视觉和手部运动的信号的微观结构在学习玩杂耍后变得更有组织性。
由于没有一位杂耍者愿意将他们的大脑捐赠给科学，我们只能猜测当他们学习新技能时，他们的白质束在细胞水平上发生了什么变化。对实验动物的研究表明，经验可以增加髓磷脂的形成，最近的研究表明，轴突中的脉冲活动会传递给形成髓磷脂的少突胶质细胞，从而刺激它们形成更多的髓磷脂。这正是研究人员最想了解的，因为学习期间髓磷脂的变化会影响神经回路中信息传输的速度，而优化在遥远皮质区域之间传输的神经信号的速度和同步性，理论上可以解释使我们能够学习新的复杂技能的过程的一部分。
对于每个人来说，另一个困难但非常重要的技能是学习阅读。脑成像已经检测到阅读障碍者大脑中某些白质束的差异，并且在阅读能力不同的儿童中也观察到了白质的差异，但这并不一定意味着学习阅读会改变白质。这些差异可能是个体差异，或者与儿童成熟过程中大脑发生的许多其他变化有关。为了验证这一假设，需要一群从未接受过阅读教育的成年人，然后在给他们上阅读课后，扫描他们的大脑以观察是否有任何变化。但是，在哪里可以找到这样一群不识字的成年人呢？
Manuel Carreiras 博士和西班牙博斯克认知大脑和语言中心的同事告诉我，他偶然发现了一组完美的实验对象。“我当时在寻找文盲，他们在西班牙很难找到。我的一个博士生来自哥伦比亚，所以我问了她。”她讲述了她国家游击战士的动荡历史，他们现在正在重新融入主流社会，并作为成年人首次学习阅读。“所以我问她是否有可能在波哥大找到他们，在那里我们可以找到核磁共振仪。”
脑扫描给出的答案像照片一样清晰。完成阅读课程的游击战士的胼胝体压部更大。胼胝体是将我们大脑的左右两侧连接在一起的大束纤维。这正是先前研究发现阅读障碍者有时发育不全的地方。
这项研究的一个显著贡献在于，它提供了大脑结构的快照，而非水扩散的DTI测量值。Carrieras及其同事也进行了DTI和功能性脑成像研究，这些研究通过结构性核磁共振成像支持了他们的发现。由于胼胝体压部的纤维在胚胎发育过程中就已形成，因此该通路中白质的增厚一定是成年人学习阅读过程中发生的。我们无法确切地说出在阅读过程中大脑重塑在细胞层面发生了什么变化，但Carreiras博士也推测髓鞘的增加可能也参与其中。
这为帮助患有阅读障碍的儿童提出了一些有趣的新线索。大多数阅读障碍儿童在阅读方面都有困难，但最终大多数人都能学会阅读，有些人甚至在以后的生活中变得非常精通阅读和写作。许多人认为，他们最大的问题在于僵化的学校系统无法适应每个人大脑布线方式的巨大个体差异，这影响了学习不同技能（如阅读和数学）的方式和速度。由于这项研究表明，这个对阅读至关重要的白质区域在学习阅读的过程中发生了变化，这为大量关于阅读障碍大脑差异的文献提供了新的视角。Carreiras告诉我：“因此，这项新研究表明，在阅读障碍中看到的一些差异可能是阅读困难的结果，而不是原因。”这一新见解也为阅读障碍患者带来了希望，因为它表明，阅读障碍患者可能会（或者他们可能已经）通过经验来调整这些通路，因为他们最终会学会应对阅读困难。他向我分享了他在西班牙进行一项关于阅读障碍的大型项目的计划时说：“这正是我们正在研究的问题之一。”
在白质中发现的变化颠覆了细胞学习的传统概念，因为这些是对神经元输出的修改，而不是改变突触输入。从历史上看，髓鞘对研究大脑如何学习的神经科学家来说并不重要。人们认为髓鞘是静态的，是在发育过程中铺设在轴突上的结构元素，但除非它被损坏或患病（如多发性硬化症），否则绝缘层永远不会改变。这些旧的假设现在正在被重新审视。
现在很明显，如果所有注意力都只集中在微小的突触上，而忽略考虑大脑网络全局系统中信息流的效率，我们将永远无法完全理解学习的机制。类比来说，神经科学家已经将他们的研究范围从晶体管扩展到了互联网。沿着这条大脑信息高速公路前进，将引领我们走向一个迷人的未来。