熟能生巧，但這是如何實現的？兩個神經科學家小組使用核磁共振腦成像技術，上個月宣佈他們能夠觀察到人們在掌握一項新技能後大腦內部發生的變化。令人驚訝的是，發生變化的大腦部分竟然沒有神經元或突觸！在學習過程中發生的腦部重塑出現在大腦神秘且仍未被廣泛探索的“白質”區域。
“灰質”是聰明的代名詞，但實際上，人腦中只有一半是灰質。“另一種大腦組織”白質卻很少被提及。大腦皮層的神經元聚集在大腦的頂層，在那裡它們透過突觸連線在一起。學習發生在灰質中，透過加強突觸或形成新的突觸，將神經元連線成新的迴路。
但在大腦的表層之下，是一個密集的纖維網路，它們像義大利麵條一樣糾纏在一起，其複雜程度令人難以研究或理解。這些纖維是從灰質神經元延伸出來的、像電線的軸突，它們傳遞電脈衝。就像埋在地下的電話線一樣，這些緊密捆紮的電纜遠距離傳輸資訊，在專門執行復雜認知功能不同方面的大腦皮層遙遠區域之間進行通訊。
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為了理解白質的重要性，請思考一下一個左外野手跳過圍牆在空中接住棒球時，他棒球帽下發生的事情。他大腦後部的視覺處理系統感知並追蹤飛行物體，同時監控場地上的所有其他物體，運動員跑動以接球。然後，他大腦頂葉的運動控制中心啟動，以使他的身體沿跑動軌跡攔截飛行物。最後，精確計時的精細運動控制將他的手臂伸向空中，以毫米級的精度在正確的時間握緊手指，將高速飛行的球從空中摘下。與此同時，該運動員同時感知到球場上變化的情況，如跑壘員前進和策略展開，以便他能做出關鍵的瞬間決定——“我是拿著球還是將它擲向本壘？”這種更高層次的決策是在額葉中計算的，就在眉毛後面。所有這些重要的通訊都掃過整個大腦，從顱骨後部到前部，以啟用大腦皮層中專門執行技能各個方面的不同區域。
這就是白質的工作——遠距離快速通訊。該組織是白色的，因為許多軸突都覆蓋著稱為髓磷脂的緊密包裹的電絕緣層。這種由非神經元細胞（稱為少突膠質細胞）製成的絕緣層，使電脈衝的傳輸速度比裸露軸突的傳輸速度快100倍。接棒球的複雜技能與巴甫洛夫和他流口水的狗學習將鈴聲與食物聯絡起來相去甚遠。技能學習可能涉及不同的機制。掌握諸如接高飛球之類的新技能所涉及的那種複雜學習，需要時間來學習，並且需要數天、數週或數年的重複練習。這種型別的學習是這些神經科學家敢於攻克的難題。
在第一項研究中，英國牛津大學的 Jan Scholz 及其同事使用核磁共振腦成像技術，對 48 名右撇子成年人的大腦進行了詳細掃描。然後，他們教其中一半人玩雜耍。任何嘗試過掌握三球拋擲的人都知道玩雜耍有多麼困難，以及學習它需要多少練習。但是，就像學習騎腳踏車一樣，一旦掌握了複雜的技能，一切都會突然“點選”，並且該過程會神秘地變得自動。學習閱讀也是如此，這是第二個研究小組調查的內容，但首先讓我們看一下引人入勝的研究，它窺探了雜耍者的大腦。
訓練六週後，雜耍者的大腦重新進行了掃描，另一半沒有接受雜耍訓練的人也一樣。未經訓練的個體構成了至關重要的實驗對照組，這使得研究人員可以檢查在雜耍者身上發現的任何大腦變化是否可能是偶然發生的。研究人員發現，在學習翫雜耍後，已知處理視覺運動處理的皮質區域下方的白質結構變得更有組織（右後頂內溝，IPS）。一個月後，在沒有任何進一步訓練的情況下進行的第三次核磁共振掃描顯示，雜耍者大腦該區域的白質變化仍然很明顯。
該研究的主要作者，一位雜耍者本人，對於看到大腦這部分割槽域的變化並不感到太驚訝，“這是一個視覺運動整合的區域，這是學習翫雜耍的一個重要方面，”她告訴我。“IPS 對於快速、精確的手臂和抓取動作與雜耍球的視覺跟蹤的協調非常重要。”但令人驚訝的是，大腦這部分的白質區域竟然發生了變化。不出所料，在這些白質纖維上方的灰質中也發現了變化，但灰質的變化似乎與白質的變化無關。“白質的變化似乎主要與訓練或活動有關。相比之下，一旦觸發，灰質的變化似乎即使在停止訓練 4 周後仍會繼續，這表明其潛在機制更加緩慢。”樹突或血管供應的變化可能導致了灰質的變化，但白質呢？
腦成像無法準確地告訴我們在學習翫雜耍後，白質中細胞水平發生了什麼變化。這種稱為擴散張量成像的技術對白質中纖維之間水的擴散均勻程度敏感。纖維直徑越大，軸突的密度越高，或者髓磷脂絕緣層的包裹越厚，水沿著纖維的流動性就比在各個方向上流動性更好。正如油漆會向上流過油漆刷的刷毛，但汙漬會在地毯的纖維中對稱擴散，因為它們的組織性較差一樣，這些白質束攜帶協調視覺和手部運動的訊號的微觀結構在學習翫雜耍後變得更有組織性。
由於沒有一位雜耍者願意將他們的大腦捐贈給科學，我們只能猜測當他們學習新技能時，他們的白質束在細胞水平上發生了什麼變化。對實驗動物的研究表明，經驗可以增加髓磷脂的形成，最近的研究表明，軸突中的脈衝活動會傳遞給形成髓磷脂的少突膠質細胞，從而刺激它們形成更多的髓磷脂。這正是研究人員最想了解的，因為學習期間髓磷脂的變化會影響神經迴路中資訊傳輸的速度，而最佳化在遙遠皮質區域之間傳輸的神經訊號的速度和同步性，理論上可以解釋使我們能夠學習新的複雜技能的過程的一部分。
對於每個人來說，另一個困難但非常重要的技能是學習閱讀。腦成像已經檢測到閱讀障礙者大腦中某些白質束的差異，並且在閱讀能力不同的兒童中也觀察到了白質的差異，但這並不一定意味著學習閱讀會改變白質。這些差異可能是個體差異，或者與兒童成熟過程中大腦發生的許多其他變化有關。為了驗證這一假設，需要一群從未接受過閱讀教育的成年人，然後在給他們上閱讀課後，掃描他們的大腦以觀察是否有任何變化。但是，在哪裡可以找到這樣一群不識字的成年人呢？
Manuel Carreiras 博士和西班牙博斯克認知大腦和語言中心的同事告訴我，他偶然發現了一組完美的實驗物件。“我當時在尋找文盲，他們在西班牙很難找到。我的一個博士生來自哥倫比亞，所以我問了她。”她講述了她國家游擊戰士的動盪歷史，他們現在正在重新融入主流社會，並作為成年人首次學習閱讀。“所以我問她是否有可能在波哥大找到他們，在那裡我們可以找到核磁共振儀。”
腦掃描給出的答案像照片一樣清晰。完成閱讀課程的游擊戰士的胼胝體壓部更大。胼胝體是將我們大腦的左右兩側連線在一起的大束纖維。這正是先前研究發現閱讀障礙者有時發育不全的地方。
這項研究的一個顯著貢獻在於，它提供了大腦結構的快照，而非水擴散的DTI測量值。Carrieras及其同事也進行了DTI和功能性腦成像研究，這些研究透過結構性核磁共振成像支援了他們的發現。由於胼胝體壓部的纖維在胚胎髮育過程中就已形成，因此該通路中白質的增厚一定是成年人學習閱讀過程中發生的。我們無法確切地說出在閱讀過程中大腦重塑在細胞層面發生了什麼變化，但Carreiras博士也推測髓鞘的增加可能也參與其中。
這為幫助患有閱讀障礙的兒童提出了一些有趣的新線索。大多數閱讀障礙兒童在閱讀方面都有困難，但最終大多數人都能學會閱讀，有些人甚至在以後的生活中變得非常精通閱讀和寫作。許多人認為，他們最大的問題在於僵化的學校系統無法適應每個人大腦佈線方式的巨大個體差異，這影響了學習不同技能（如閱讀和數學）的方式和速度。由於這項研究表明，這個對閱讀至關重要的白質區域在學習閱讀的過程中發生了變化，這為大量關於閱讀障礙大腦差異的文獻提供了新的視角。Carreiras告訴我：“因此，這項新研究表明，在閱讀障礙中看到的一些差異可能是閱讀困難的結果，而不是原因。”這一新見解也為閱讀障礙患者帶來了希望，因為它表明，閱讀障礙患者可能會（或者他們可能已經）透過經驗來調整這些通路，因為他們最終會學會應對閱讀困難。他向我分享了他在西班牙進行一項關於閱讀障礙的大型專案的計劃時說：“這正是我們正在研究的問題之一。”
在白質中發現的變化顛覆了細胞學習的傳統概念，因為這些是對神經元輸出的修改，而不是改變突觸輸入。從歷史上看，髓鞘對研究大腦如何學習的神經科學家來說並不重要。人們認為髓鞘是靜態的，是在發育過程中鋪設在軸突上的結構元素，但除非它被損壞或患病（如多發性硬化症），否則絕緣層永遠不會改變。這些舊的假設現在正在被重新審視。
現在很明顯，如果所有注意力都只集中在微小的突觸上，而忽略考慮大腦網路全域性系統中資訊流的效率，我們將永遠無法完全理解學習的機制。類比來說，神經科學家已經將他們的研究範圍從電晶體擴充套件到了網際網路。沿著這條大腦資訊高速公路前進，將引領我們走向一個迷人的未來。