NeuroImage:视觉运动学习中行为表现的改善与大脑功能和微观结构的改变相关

更好地理解练习引起的大脑功能和结构的变化，可以帮助我们设计更有效的学习环境，提供更好的结果。尽管越来越多的人类神经影像学证据表明，经验依赖性大脑可塑性表现为与行为表现相关的可测量的大脑变化，行为表现与大脑结构或功能变化之间的关系，特别是这些变化的时间过程，没有很好的特点。

为了了解神经可塑性变化与行为表现之间的联系，G.F.Meyer等进行了相关研究，发表在NeuroImage杂志。

该研究中的15名健康参与者在家中每天进行30分钟、每周5天和连续6周的系统眼动训练。在整个培训期间收集行为表现统计数据和眼球跟踪数据，以评估学习成果。在基线检查时、连续训练2周和6周后以及训练结束4周后收集影像学数据（DTI和fMRI）。

数字视觉视觉扫描训练的示意图：该图显示了参与者在任务期间被要求观察的目标注视位置。编号的圆圈和固定点是永久可见的，参与者系统地观察所有编号的目标，左右交替。下一个目标总是包含一个小的形状（圆形或三角形），参与者必须识别它。一旦给出响应，当前目标就会消失，并在下一个目标位置呈现随机形状。目标在三个不同的轴（水平轴和两个斜轴）上重复表示（379个刺激）。数字版本用于家庭训练（每天30分钟）、实验室测试和自愿功能磁共振成像任务。

训练对行为表现的影响：图表显示了训练对训练期间和训练后一个月实验室测试中平均反应时间的影响（图表中最右边的条）。

训练（自愿）和控制（非自愿）任务的整体功能激活：面板（a）和（b）显示了自愿和非自愿任务在基线（第0周）时的平均整体激活（PFWE<0.05聚类水平）。在基线检查和训练结束（第6周）之间，小组（c）中的训练任务的枕叶皮质、小脑和FEF（PFWE<0.05簇水平）出现显著的激活变化，而小组（d）中的对照（不自主眼球运动）任务则没有。

前额叶视野的功能激活变化：前对比后右侧FEF(x=44,y=-11.89,z=52.10)显示训练后的功能激活(P_FWE<0.05簇水平）。在同一区域的控制任务中，未见明显的激活变化。

直接比较训练对功能和结构参数的影响：面板（a）显示功能磁共振信号显著增加（P_FWE<0.05簇水平），而面板（b）显示DTI MD测量显著降低。纹状体外区（V3d）和动眼神经小脑（OC）同时发生功能和结构改变。背景图像是T1加权蒙特利尔神经研究所（MNI）标准模板（FSL标准/MNI152μT1μ1 mm）用于定位。截面在MNI坐标处相交[x=7，y=−66，z=19]。面板（c）显示了功能磁共振成像和DTI变化重叠的区域。请注意，spm功能磁共振成像图像（a组）是“翻转”的，以便于与MD图像的FSL表示进行比较（b组）。所有分析仅限于ROI区域，这意味着所有重要的功能和结构簇变化都位于ROI mask中。

从第6周显示显著变化的区域提取功能和结构测量的时间过程数据：图表显示训练对成像数据的影响；fMRI数据显示在左边（红色），MD数据显示在右边（蓝色）。提取的成像数据分别代表了视觉皮层和小脑中所有显著集群的平均测量值（fMRIβ和MD)，在训练六周后，这些集群出现了显著变化。这两个指标在训练期间大致遵循指数行为，但在训练停止后的一个月内恢复到基线，而行为表现保持静止。

显示训练结束时显示显著变化的参数之间总体相关性的图表：该图表显示神经成像和行为参数之间的显著相关性（p<0.05，单侧，无校正）。矩阵标签由三个部分组成：测量类型（fM:fMRI、MS、RD、AD:弥散指标和RT:响应时间），下一个字母标识神经成像数据的目标区域（vis=视觉皮层，cb=小脑，fef=额叶视野），而行为数据，标签指示数据记录的位置：lab=laboratory，sc=scanner）。最后一个组成部分是一个数字，用于标识记录数据的星期（第2、6、10周）。所有的变化都是相对于第0周的基线。圆圈的大小和颜色表示相关的程度和极性，见右侧的色条。

参与者在行为表现上有显著改善（更快的任务完成时间，更少的注视次数和注视持续时间）。在两个主要区域：纹状体外视觉皮层（v3d）和小脑/小脑顶动眼神经区（FOR）的额叶，观察到微结构扩散率指标（MD、AD和RD）的空间重叠减少和功能激活增加（BOLD信号）。右前额视野的功能活动也增加。行为，结构和功能的变化是相关的。微观结构变化比功能性激活更能预测长期行为变化，而功能性激活更能预测瞬时性能。训练计划第2周的结构和功能测量也可以预测第6周和第10周的表现，这表明训练早期阶段的成像数据可能有助于优化练习环境或康复训练计划。

该研究的主要目的是探讨视觉运动学习任务的行为表现与神经影像学的功能和结构参数之间的联系。所有参与者在培训期间都表现出显著的行为表现改善：平均反应时间，完成任务所需的注视次数，个体决策所需的平均注视时间显著缩短，而反应准确率仍然很高（>90%）。结果与之前的两项研究一致，其将视觉搜索训练应用于偏盲患者的康复目的。在停止训练四周后测量表现，并保持在训练结束时的水平。这表明训练效果是持久的，正如运动和知觉学习所预期的那样。

综上所述，视觉搜索训练导致了视觉运动技能的提高：完成任务所需的固定时间减少，固定时间缩短。行为的改善与显著的脑功能和结构可塑性相关。显微结构改变和功能激活改变在两个解剖脑区重合；纹外区（IPS/TOS和V3d)和小脑动眼神经区；两者都被认为参与了视觉眼动处理。

目前的研究表明，在相对较短的训练时间后，可以可靠地检测到微观结构的变化，这些措施与功能和行为措施有很好的相关性。因此，这些测量应该在学习范式中定期记录，因为它们提供了进一步的证据，证明练习结果和神经测量是相关的。水扩散指数(MD、AD和RD）可以提供准确的测量，在培训的初始阶段预测长期的学习结果。

原文出处

Aloufi AE, Rowe FJ, Meyer GF. Behavioural performance improvement in visuomotor learning correlates with functional and microstructural brain changes. Neuroimage. 2021;227:117673. doi:10.1016/j.neuroimage.2020.117673

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811920311587?via%3Dihub