认知控制训练能够持续增强大脑的信息处理能力

认知控制训练能够持续增强大脑的信息处理能力

作者:RWD
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文章概述


认知行为疗法(Cognitive Behavioural Therapy, CBT)是一种心理治疗的社会干预手段。已有的研究表明,CBT中的认知控制训练(Cognitive Control Training, CCT)可以有效提高理解能力,从而改善学习认知。那么通过认知控制的方式来进行学习,包括灵活的运用相关信息的同时忽略掉干扰信息,除了能形成外显记忆外,是否还能够提高大脑的功能?根据神经可塑性的假说对CBT的解释,CCT改变了神经环路的信息处理能力,但是除了感觉系统的改变之外,几乎没有证据支持这一假说的三个关键改变:包括1)由认知训练引起的、2)长时间的、以及3)非记忆特异性训练引起的神经环路功能变化。2021年11月9日,纽约大学André A. Fenton研究团队在《Nature》上发表题为“Cognitive control persistently enhances hippocampal information processing”的文章,该研究探讨了CCT对小鼠大脑功能的影响,证实了CCT能够持续优化海马神经环路的信息处理能力。


认知控制训练能够持续增强大脑的信息处理能力


核心观点


1、与对照组相比,CCT促进了小鼠在随后几周中面对新任务时的学习能力;


2、CCT快速改变了内嗅皮层-齿状回突触环路的功能,导致其中一个兴奋-抑制回路持续数月的改变;


3、CCT通过增强抑制来减弱齿状回对内侧内嗅皮层信号输入的反应,并通过解除抑制来增强对强信号输入的反应,以此提高整体信噪比。


研究结果分析


1.CCT能够促使小鼠位置选择的偏向性改变


研究者首先设计了CCT的模式,小鼠在一个旋转台上自由行走,台面上的特定区域(相对于房间的位置是固定的)能够产生轻微的电击。为了避免电击,小鼠需要通过周围环境来判断电击位置。而对照组的小鼠处于一个固定的台面上,只需要记住特定的电击区域。小鼠海马CA1的活动在任务相关和任务无关信息之间进行灵活的切换。在没有电击的训练开始前,CA1的活动在相对房间和旋转台面上的位置并没有偏向性。训练开始后,CA1的活动在靠近电击区域和远离电击区域的位置之间交替变换。这种多任务的表征反映了小鼠正在进行有目的行为,是认知控制的一个特征。


认知控制训练能够持续增强大脑的信息处理能力

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2.CCT有助于提升小鼠后续学习能力


为了测试CCT是否改善了后续的学习能力,研究者在新环境中比较了初始训练(Initial Training, Ti)和后续训练(Subsequent Training, Ts)的表现。小鼠最初被训练在旋转场地上执行三种不同任务中的一种(扩展数据图1a)。CCT小鼠加强对房间-框架空间线索,弱化台面-框架空间线索。位置学习(Place Learning, PL)对照组的小鼠接受相同训练,其不同之处在于存在浅水,能够驱散嗅觉线索。空间探索(Spatial Exploration, SE)组的小鼠与CCT条件相同,但没有电击。在初始训练后,所有小鼠随后在一个新的环境中进行相同的后续训练。在后续训练中,CCT小鼠进入电击区的次数更少,并且它们学习回避电击区的速度也更快。在新环境中,CCT小鼠学会回避电击的速度比SE和PL小鼠更快。CCT还促进了小鼠在新型T迷宫中的逆转辨别学习能力。在第一轮试验中,三组小鼠辨别能力表现相当。然而,在第二轮于第三轮逆转辨别中,CCT小鼠的表现更好。这些发现表明,CCT会导致持续数周的学习能力提升,并在训练任务之外普遍化。


认知控制训练能够持续增强大脑的信息处理能力

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3.CCT能够持久的改变内嗅皮层-齿状回神经环路的功能


海马齿状回对于小鼠经历CCT后的回避行为至关重要。为了评估CCT是否会改变内嗅皮层-齿状回的环路功能,研究者将刺激电极植入到内侧前穿质通路(Medial Perforant Path, MPP)。研究者比较了训练前以及训练后海马区神经元对电刺激诱发的电活动反映,PL和SE并没有引起明显的改变,但是CCT明显降低了齿状回(supraDG)神经元兴奋性突触后场电位幅度。证明CCT能够持久改变内嗅皮层-齿状回神经环路的功能。


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4.CCT导致内嗅皮层-齿状回神经环路的抑制状态发生变化


为了探讨了CCT改变齿状回的兴奋-抑制的协调机制。研究者在MPP刺激前5毫秒激活对齿状回中间神经元的抑制,模拟CCT来诱导的supraDG兴奋性减弱。相比之下,通过模拟来诱导CCT小鼠supraDG兴奋性减弱的作用被抑制,这与CCT持续增强对supraDG抑制的结果是一致的。另一方面,在成对脉冲刺激的电流分析发现,CCT增强了supraDG对MPP输入的第二次脉冲的反应。表明CCT改变supraDG通路特性,不仅是通过普遍的增加抑制,而且也可能通过解除对MPP输入的抑制。为了测试CCT解除MPP输入抑制的可能性,研究者利用了自发活动低的海马切片,在MPP刺激前2和5 毫秒光遗传抑制齿状回中间神经元,在CCT小鼠脑切片中,supraDG突触群体的反应增加。这表明经历CCT后,MPP输入对supraDG的局部去抑制作用更强。综上所述,尽管CCT会对自由行动小鼠supraDG形成广泛的抑制作用,但同时也会解除对MPP的输入的抑制作用。


认知控制训练能够持续增强大脑的信息处理能力


总结


该研究结果表明,CCT有助于后续的学习,包括新的学习任务。CCT导致MPP输入通路产生特异性的抑制和增强,这种子环路的变化可以通过对输入信号的兴奋-抑制协调,在解除当前最强输入抑制的同时,通过全局增强抑制来增加信噪比。这种神经环路的改变能够让小鼠在学习过程中更加灵活的使用相关信息并且忽略干扰信息,因此表现出更好的学习能力。此外,该研究的结果也为认知心理学、CBT等领域提供了一个共同的神经生物学阐述机制。


亮点研究方法


这项工作阐述了CCT提升后续学习能力的作用机制,研究中用到了活体钙成像、电生理记录、光遗传学、化学遗传学、免疫组化以及行为学等多种神经科学研究方法。瑞沃德深耕神经科学研究领域近20年,一直致力于为客户提供可信赖的解决方案和服务,可提供这项工作中涉及的活体钙成像、电生理记录、光遗传学、化学遗传学、组织病理以及行为学实验等完整解决方案。截止目前,瑞沃德产品及服务覆盖海内外 100 多个国家和地区,客户涵盖全球700+医院,1000+科研院所,6000+高等院校,已助力全球科研人员发表SCI文章12000+,获得行业广泛认可。
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