學術探奇

「熟能生巧」的科學解釋

中大蔡永業腦神經科學中心初探大腦行為機制

生物醫學學院容永豪教授<em>(左)</em>及柯亞教授 <em>(ISO Staff攝)</em>

由說話、步行,以至彈琴、踏單車,我們在人生不同階段都在學習新的動作技能,但學習速度和能力卻因人而異:有人一目十行,有人卻無論反覆講解多少遍,仍然一竅不通。到底人是如何學會一種新技能?大腦的神經系統,如何透過重覆動作,來建立動作技能或記憶?重覆地練習一個動作,如何影響大腦的運動神經系統?為何一些日常生活技能,對柏金遜症、中風等患者而言卻困難重重?

大腦是科學家難以拆解的神秘謎團。中大醫學院今年初新成立「蔡永業腦神經科學中心」,其中一位主任容永豪教授及其同事柯亞教授與不少科學家一樣,希望更進一步認識人類學習動作技能的原理。動作技能是一種刻意運用肌肉執行某種特定行為的功能,需通過重覆練習,才能掌握一種新技能,時間可短可長,當然這與動作本身的複雜性有關,例如鋼琴要演奏得揮灑自如,隨時用上數十年的時間。容永豪教授補充,有研究指出睡眠質素、是否獲得獎賞,以及練習方法是否合宜,亦影響學習效果,例如遁序漸進效果比埋頭苦幹更好,但個別之間的學習差異則仍未有確切解釋。

以往有不少關於神經細胞的研究,但都只研究大腦皮層較淺層的部分,而且即使利用磁力共振探測神經信號,都無法精確記錄每一個神經細胞輸送信號的情況。容永豪教授指,今次涉及較深層的大腦皮層神經細胞活動,由於技術較複雜,在此之前只有極少人做過相關研究。容永豪教授的團隊,成功透過神經生理學技術,記錄由大鼠神經細胞發出的信息,拆解大腦形成動作記憶的過程。研究人員在大鼠的籠外放置乳酪,牠們需要以前肢從籠外攫取食物,而這個動作需要學習,並重覆練習才學會。

研究人員在一周內,利用電極記錄大鼠腦部,多個神經細胞發出每分鐘數以千計的神經信號;研究更採用嶄新技術,觀察整個群組的神經元,在學習期間的活動情況,並描劃成一個軌跡,對比大鼠在學習前後,不同群組神經元的軌跡是否愈來愈相似。結果發現,大鼠在學習以前肢攫取乳酪時,一些原本沒有連繫的神經元細胞,發放的信號會愈來愈接近,最終形成新的連繫以至新脈絡。容永豪教授形容:「情況像接駁電路,如果比喻神經細胞作為電線,當將所有電線連接在一起,便會形成新的網絡;而神經傳導物質『多巴胺』則幫助網絡連結起來。」因此當研究人員取走大鼠腦內部份「多巴胺」後,其學習能力隨即大幅倒退,變得「善忘」,第二天已「忘記」了用如何以前肢取得乳酪。

大鼠在學習前後的神經元軌跡

容永豪教授指出,主要有兩大因素令學習動作技能出現問題,其一是孩子天生基因異常,神經系統出現問題,以致他們難以學習,常見於學習語文方面。此外,當患病或神經細胞受損,網絡無法連結起來,又或是固有的網絡受到破壞,會令患者失去原有或難以再學習新的動作技能。原因之一,是大腦運動皮質缺乏「多巴胺」,例如部分柏金遜症患者,其製造「多巴胺」的細胞會逐漸死亡,到失去八至九成細胞時,病人便會忘記一些簡單如扣鈕、走路等日常生活技能,以及學習新技能的能力。至於中風患者則失去已經學會的技能,需通過復康訓練,重拾過去的活動能力。

容永豪教授的團隊認為,研究對開發更有效治療有正面啟示,倘為柏金遜症及中風病人處方相關藥物補充「多巴胺」,可喚起柏金遜症患者學過的動作技能,以及幫助學習新技能,從而改善病情。雖然中風的起因未必與「多巴胺」有關,但日後可能通過補充「多巴胺」,或刺激分泌「多巴胺」的細胞,亦有助學習新技能。結果已刊載於國際頂尖科學期刊Nature Communications

不過療法能否幫助正常孩子提升學習能力,變成一目十行的超級神童?容永豪教授則認為,一般人服用這藥物,過度刺激腦部,有可能產生反效果。

學習令一些原本沒有連繫的神經元細胞形成新的連繫以至新脈絡

今次研究為中大蔡永業腦神經科學中心的代表項目之一。長遠而言,中心希望透過聯合校內各個對腦神經科學感興趣的學術單位,促進這領域的研究發展,冀通過國際一流水平的研究,在腦神經科學研究中發揮主導作用,造福社會。

在容永豪教授及莫仲棠教授的共同領導下,中心會在大腦行為機制、腦疾病遺傳基礎,以及神經血管生物學和疾病這三大研究範疇繼續發展。容永豪教授預計未來幾年,中心會就神經科學基礎及轉化研究有新穎且重要的發現。

倘中英文版本出現歧義,概以英文版本為準。

 

本文出自中大主網頁(2017年9月)

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容永豪 蔡永業腦神經科學中心 醫學院 神經科學 柯亞 大腦行為機制 教授