den som har lärt sig att spela ett musikinstrument vet att översätta anteckningar på ett ark till fingerrörelser är ansträngda först, men blir gradvis mer automatisk med tiden. Detta mycket uppskattade inslag i motoriskt lärande beskrevs 1967 av Paul Fitts och Michael Posner. I en bok med titeln Human Performance föreslog de välkända psykologerna tre steg för att lära sig motoriska färdigheter: en kognitiv fas, en associativ fas och en autonom fas.
i det första steget är rörelserna långsamma, inkonsekventa och ineffektiva, och stora delar av rörelsen styrs medvetet. I det andra steget blir rörelserna mer flytande, pålitliga och effektiva, och vissa delar av rörelsen styrs automatiskt. Och i det tredje steget är rörelserna korrekta, konsekventa och effektiva, och rörelsen styrs till stor del automatiskt. Det har emellertid inte varit klart exakt hur de olika stadierna av motoriskt lärande kartlägger neurala system i hjärnan.
i en studie publicerad i detta nummer av PLOS Biology kombinerade Nicolas Schweighofer från University of Southern California och Hiroshi Imamizu från University of Tokyo beräkningsmodellering med beteendemässig och funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) data för att skapa en hjärnomfattande karta över motorminnen med olika tidsskalor (Fig 1). Enligt författarna kastar resultaten nytt ljus på en klassisk psykologisk teori och kan potentiellt användas för att förbättra strategier för rehabilitering av motoriska färdigheter efter hjärnskador.
lärande sker i olika hjärnregioner vid olika tidsskalor. De fyra panelerna i figuren representerar tidskonstanter som karakteriserar förändringshastigheten. Bildkredit: Hiroshi Imamizu.
i den nya studien utförde 21 friska frivilliga visuella-motoriska anpassningsuppgifter medan deras hjärnaktivitet mättes med fMRI. I början av varje försök uppträdde ett vitt kors (markör) i mitten av skärmen och försökspersonerna manipulerade sedan en joystick för att flytta markören till en röd eller blå cirkel som dök upp högst upp på skärmen. Men det fanns en visuell-motor missanpassning: markören roterades med 40 grader i förhållande till den faktiska rörelseriktningen. Med tiden lärde sig ämnena att anpassa sig till denna rotation genom att justera joystickrörelsen i motsatt riktning.
beteendedata avslöjade flera stadier av motoriskt lärande, med snabb anpassning som inträffade inom block av nio försök och långsam anpassning som inträffade över blocken. Forskarna utvecklade sedan en modell för att bestämma vilka neurala system som var involverade i de olika stadierna av motoriskt lärande. De fann att snabb inlärning som ägde rum inom fem sekunder var förknippad med aktivitet i frontala och parietala hjärnregioner. Däremot var mellanliggande inlärning mellan två minuter och ungefär en och en halv timme associerad med aktivitet i den främre regionen av den underlägsna parietalloben. Det långsammaste inlärningssteget, som utvecklades över timmar, var förknippat med aktivitet i de främre till mediala delarna av cerebellum—en hjärnregion som spelar en viktig roll i motorstyrning.
dessa resultat överensstämmer med tidigare forskning som visar att frontala regioner är involverade i tidiga inlärningsstadier av uppmärksamhet, upphetsning, visuell rörelseanalys, rumsligt arbetsminne, minne av handrörelser och rörelseplanering. På samma sätt är parietala regioner kända för att spela en roll i tidiga inlärningsstadier av mental och visuell motorrotation. Sammantaget tyder resultaten på att de initiala kognitiva och associativa faserna av motoriskt lärande rekryterar frontala och parietala hjärnregioner, medan det sena stadiet av autonomt lärande beror på det främre mediala cerebellumet. Genom att kombinera flera kompletterande tekniker gav forskarna djupare insikter i en klassisk och inflytelserik psykologisk teori som föreslogs för flera decennier sedan.