「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

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。

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。

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。

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