约翰斯·霍普金斯大学的研究人员成功使用了一种激光辅助成像工具，观察了小鼠在学习抓取食物颗粒时脑细胞的变化。他们的实验表明，这种基于运动的学习可以在大脑的多个区域发生，甚至包括通常不与运动控制相关的区域。
理查德·休格兰博士，约翰斯·霍普金斯大学医学院的布隆伯格杰出教授和所罗门·H·斯奈德神经科学系的主任指出，科学家应该从整个大脑的角度来理解特定类型的学习。大脑的不同部分以不同的方式参与学习，研究脑细胞受体可以帮助我们解开这一过程的奥秘。
研究人员的这项工作最终可能为开发基于学习和神经认知障碍的治疗方法提供信息。
在一篇发表于《神经元》杂志上的报告中，休格兰及其研究团队专注于AMPA型谷氨酸受体（AMPARs），这些关键分子有助于在称为神经元的脑细胞之间传递信息。AMPARs像天线一样沿着神经元上的特定点（称为突触）形成，并接收来自其他神经元的分子信号。
为了监测和测量小鼠大脑中的AMPAR水平，科学家们过去必须在学习和实验前后解剖器官并比较差异。现在，科学家们有了直接在学习过程中观察大脑的方法，可以一次记录数千个突触。
在新的实验中，科学家们将带有荧光标记的AMPAR DNA注射到小鼠的大脑中，并使用电脉冲使神经元吸收AMPAR DNA。接下来，使用一种称为双光子显微镜的工具，科学家们使用激光来检测和测量来自标记AMPAR的荧光量。
休格兰表示，更多的荧光表明AMPAR活动和神经元之间的信息传递增加，这是一个好迹象，表明在这些神经元中正在进行学习和记忆构建。
为了观察测试动物的神经元中的学习情况，休格兰的团队训练小鼠用爪子抓取放置在笼子外的食物颗粒。通常，小鼠用嘴巴获取颗粒。
在小鼠学习如何抓取颗粒的过程中，科学家们发现大脑的运动皮质区域中的AMPAR活动增加了约20%，这个区域以控制和精确移动肌肉而闻名。在神经元上，AMPARs看起来像圣诞树上的灯，随着活动的增加而变得更亮。
但实验还显示，视觉皮质中的AMPAR活动水平也有相同的增加。
理查德·罗斯博士，目前是斯坦福大学的博士后研究员，但在休格兰的实验室作为研究生进行了这项研究。罗斯说，这很有道理，因为视觉对于运动控制非常重要。
罗斯说：“所以，我们再次进行了同样的实验，但这次灯光被关闭了。”
使用小鼠看不见的红外光，小鼠最终学会了成功地抓取食物，但视觉皮质中AMPAR活动的增加较小（10%）。
罗斯说：“我们相信小鼠的大脑在黑暗中使用不同的一组感官线索来学习运动任务，包括触觉和嗅觉，使这些其他感官能够接管。”
接下来，研究团队使用专门的光激活调制器重复实验，以关闭运动或视觉皮质中的神经元。
如果小鼠在房间灯亮的情况下被训练抓取颗粒，如果它们的视觉皮质被关闭，小鼠就无法完成任务。罗斯说：“显然，这些小鼠依赖于集中在其视觉皮质中的学习来抓取颗粒。”
然而，最初在黑暗中训练抓取颗粒的小鼠仍然可以完成任务，即使它们的视觉皮质被关闭。
罗斯说：“我们传统上认为基于运动的学习只发生在大脑的运动部分，但我们的研究和其他研究现在表明，它并不像我们想象的那么具体。学习在更大范围内影响大脑。”
休格兰指出，控制参与学习的神经元受体的基因之一是SYNGAP。他和同事的研究表明，当该基因发生突变时，会导致智力障碍、自闭症和精神分裂症等疾病，这些疾病在一定程度上以思维和学习中断为特征。