約翰霍普金斯大學醫學院的研究人員已經成功地使用雷射輔助成像工具來「觀察」學習伸手抓住食物顆粒的老鼠的腦細胞中發生了什麼。他們說，他們的實驗增加了證據，表明這種基於運動的學習可以發生在大腦的多個區域，甚至是通常與運動控制無關的區域。
彭博社傑出教授，約翰·霍普金斯大學醫學院所羅門·H·斯奈德神經科學系主任理察·休加尼（Richard Huganir）博士說：「科學家應該注視整個大腦，以了解特定的學習類型。」 「大腦的不同部分以不同的方式促進學習，研究大腦細胞受體可以幫助我們理解其工作原理。」
研究人員說，這項工作可能最終會為開發針對學習型和神經認知障礙的治療方法提供信息。
Huganir和他的研究小組在12月31日在線發表在Neuron上的一份工作報告中說，他們專注於AMPA型谷氨酸受體或AMPARs，這是有助於在腦細胞之間傳遞信息的關鍵分子，稱為神經元。AMPAR的功能就像天線一樣，沿著在神經元上稱為突觸的特定點的表面形成，在那裡它從其他神經元接收分子信號。
為了監視和測量小鼠大腦中AMPAR的水平，科學家此前不得不在學習實驗前後對器官進行解剖，並比較差異。現在，科學家可以在學習過程中直接觀察大腦，一次記錄數千個突觸。
在新的實驗中，科學家將帶有螢光標籤的編碼DNA的AMPAR注射到小鼠的大腦中，並利用電脈衝使神經元吸收AMPAR DNA。接下來，科學家利用稱為雙光子顯微鏡的工具，使用雷射（本質上是高度聚焦的光束）來檢測和測量來自標記AMPAR的螢光量。
Huganir說，更多的螢光表明AMPAR活性和神經元之間的信息傳遞增加，這表明這些神經元正在學習和記憶。
為了「觀察」被測動物神經元的學習情況，Huganir的團隊訓練了老鼠，用它們的爪子抓住並抓住籠子外面的食物顆粒。正常情況下，小鼠的嘴會產生顆粒。
當小鼠學習如何獲取沉澱物時，科學家發現稱為運動皮層的大腦區域AMPAR的活性增加了約20％，運動皮層以控制和精確移動肌肉而聞名。在神經元上，AMPAR看起來像聖誕樹上的燈，並且隨著活動的增加而發光。
但是實驗還表明，視覺皮層中AMPAR活性水平也有相同的增加。
「這是有道理的，因為視覺對於運動控制非常重要，」理察·羅斯（Richard Roth）博士說，他目前是史丹福大學的博士後，但他是在休加尼爾實驗室做研究生的實驗。
羅斯說：「因此，我們再次進行了相同的實驗，但是燈關閉了。」
通過使用老鼠看不見的紅外光，老鼠最終學會了成功抓取食物，但是視覺皮層中AMPAR的活性增加的幅度較小（10％）。
羅斯說：「我們相信老鼠的大腦在黑暗中使用了不同的感覺線索來學習運動任務，包括觸覺和嗅覺，從而使這些其他感覺能夠接管。」
接下來，研究小組使用專門的光激活調製器重複實驗，以關閉運動皮層或視覺皮層中的神經元。
如果訓練小鼠在打開室內燈光的情況下獲得小球，則如果關閉其視覺皮層，則小鼠將無法完成任務。羅斯說：「顯然，這些小鼠依靠集中在視覺皮層中的學習來達到沉澱。」
但是，最初訓練為在黑暗中抓住小球的小鼠仍然可以完成任務，即使其視覺皮層已關閉。
「傳統上，我們認為基於運動的學習僅發生在大腦的運動部分，但我們的研究和其他研究表明，它並不像我們想像的那麼具體。在學習中，大腦會產生更多的影響。」羅斯
Huganir指出，SYNGAP是控制參與學習的神經元受體的基因之一。他和其他人的研究表明，當基因突變時，它會導致包括智力殘疾，自閉症和精神分裂症在內的疾病-所有這些疾病的一部分特徵是思維和學習受到干擾。