시행 착오를 통한 숙달의 신경 과학

소뇌의 Purkinje 세포는 운동을 조화롭게 조정합니다.

1899 년 Santiago Ramón y Cajal에 의해 비둘기 소뇌에서 Purkinje 세포 (A)와 과립 세포 (B)를 그려라. Instituto Cajal, 마드리드, 스페인.

출처 : Wikipedia / Public Domain

존스 홉킨스 대 (Johns Hopkins University) 연구원 팀은 소뇌 푸르니 예 세포가 시행 착오 과정을 통해 복잡한 움직임을 마스터 링하여 소뇌가 미세 조정 된 운동 협응력을 향상시키는 데 도움이되는 흥미로운 새로운 세부 사항을 발굴했다. 이 논문은 “소뇌의 Purkinje 세포에 의한 오류를 교정하고 그 오류를 교정하는 학습”이라고 4 월 16 일 온라인 Nature Neuroscience 지에 게재되었습니다.

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이 연구의 가장 중요한 측면은 존스 홉킨스 의과 대학의 생물 의학 공학과 신경 과학 교수 인 레자 샤드 메이어 (Reza Shadmehr)와 그의 동료들이 푸르 키예 (Purkinje) 세포가 어떻게 작용 하는지를 정확히 지적한 것입니다. 이 연구는 신비한 Purkinje 세포가 “연결 기계로서의 Cerebellum”(John Eccles et al., 1967)과 같은 일을하고있는 20 세기의 획기적인 논문을 뒷받침하는 새로운 통찰력과 경험적 증거를 추가한다. 소뇌 피질 이론 “(David Marr, 1969),”소뇌 기능 론 “(James S. Albus, 1971).

소뇌 ( “작은 두뇌”라틴어)는 빨간색으로 표시됩니다. “소뇌”는 ‘소뇌에 관련되거나 소뇌에 위치하고 있음’을 의미합니다.

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출처 : 생명 과학 데이터베이스 / Wikipedia Commons

Johns Hopkins Medicine에서 진행되는 최첨단 Purkinje 세포 연구에 관한 2018 년 5 월 3 일자 보도 자료에서 “뇌의 학습 기계를 해독하는 것”은 소뇌를 포유류의 두뇌 내에서 “학습 기계”로 묘사합니다. 가장 최근의 원숭이 연구는 Purkinje 세포가 예측을하고 작은 실수를 꾸준히 수정하여 복잡한 작업을 습득하는 방법을 배웁니다. 연습을하면 오류가 줄어들고 정밀도가 높아집니다. 시간이 지남에 따라 이것은 내가 ” 초 유동성 (superfluidity) “이라고 부르는 결과를 낳습니다.

출처 : Wikipedia / Creative Commons

푸틴 키 (Pukinje)에 기반을 둔 소뇌 지배의 운동 예로서 성명서는 “농구를 쏠 때 사람들은 대개 후프를 통해 한 발의 탄을 얻기 전에 여러 번 놓친다. 팔이 움직이면 소뇌는 행동의 결과에 대해 예측합니다. 예측이 실재와 일치하지 않을 때, 즉 공이 후프를 빠지면 소뇌가 눈과 팔의 피드백을 오류로부터 배우고, 조준, 힘 및 방출과 같은 미세 조정 요인을 통해 바구니를 만든다. 이 시행 착오를 통해 오류를 학습하면 성능이 점진적으로 향상됩니다. “시행 착오의 동일한 과정이 모든 스포츠에서 발생하며 연습이 왜 완전하게되는지 설명하는 데 도움이됩니다. 주목할 만하게, “공을위한 눈”을 소유하는 것은 또한 소뇌 및 우리의 vestibulo-ocular reflex (VOR)에 직접 연결된다.

Purkinje Cells “Simple”및 “Complex”스파이크를 통한 마스터 시행 착오 학습

Johns Hopkins의 최신 연구에 따르면 Purkinje 세포는 “단순 스파이크”및 “복합 스파이크”라는 두 가지 유형의 전기 신호를 통해 통신합니다. 단순 스파이크는 Purkinje 세포가 최적의 운동을하고 있다는 예측을 반영합니다. 복잡한 스파이크는 Purkinje 셀 클러스터로 전송 된 정보를 반영하여 예측에 오류가 있는지 또는 이동의 타이밍과 속도가 정확한지 여부를 알려줍니다. 각각의 독특한 모터 기술에 대해, 전문적인 Purkinje 셀은 모두 동일한 오류 메시지를 수신하며 특정 실수를 기반으로 적절한 모터 보정을 수행 할 때 함께 작동하는 것처럼 보입니다.

Shadmehr는 성명서에서 “단순한 스파이크를 예측하는 ‘학생’으로 생각하고 복잡한 스파이크를 피드백을 제공하는 ‘선생님’으로 생각할 수 있습니다.

Shadmehr에 따르면, “소뇌의 건축의 장점 중 하나는 추억을 보호한다는 것입니다.”일단 소뇌 (자전거 타기와 같은)를하는 데 필요한 근육 기억이 망가져 Purkinje 세포에 위조되면 단순하고 이 모터 기술을 조정하는 것과 관련된 복잡한 스파이크가 하드 와이어됩니다.

터치 타이핑은 Purkinje 기반 소뇌 학습에 의존합니다.

키보드를 보지 않고 “터치 타이핑”기술을 익히는 것은 Purkinje 셀 기반의 시행 착오 학습의 완벽한 예입니다. 다음에 키보드를 사용할 때 “F”및 “J”키에있는 작은 융기 부분에 왼쪽 및 오른쪽 검지 손가락 끝을 각각 놓습니다. 이 ‘홈 위치’에 손을 넣으면 소뇌가 특정 키와 관련하여 손가락의 위치를 ​​자동으로 알 수 있습니다. 이것은 소뇌 고유 수용을 통한 예측 가능성을 창출합니다.

열쇠를 보지 않고 ” 게으른 갈색 개 위에 빠른 붉은 여우 점프 “를 입력 할 수 있습니까? 그렇다면이 10 단어를 1 분 안에 몇 번 입력 할 수 있습니까? 이 문장은 알파벳의 모든 글자를 가지고 있으며 누군가의 터치 타이핑 능력을 시험하기위한 금본위 제입니다. 연습을하면 손가락이 암시 적으로 모든 키의 위치를 ​​알게되고 분당 40 단어 (WPM) 이상을 입력하는 것을 마스터 할 수 있습니다. WPM은 “평균”속도로 간주됩니다.

시행 착오적 학습에 대한 존스 홉킨스 (Johns Hopkins)의 최근 연구를 바탕으로, ” 빠른 붉은 여우가 게으른 갈색 개로 점프 “하면서 Purkinje 세포의 클러스터가 미세 조정되고 있음을 알면 오류를 교정하는 연습을 많이한다고 추측 할 수 있습니다 간단하고 복잡한 스파이크를 통해이 스킬을 익힐 수 있습니다.

흥미롭게도, 당신의 소뇌가 내려다 보지 않고 적절한 글자의 위치를 ​​예측할 수있게되면, 대부분의 터치 타이피스트는 결국 대뇌 지식과 각 글자가 QWERTY 키보드에있는 위치를 말할 수있는 선언적 기억을 잃게됩니다. 어쨌든, 나는이 현상을 뒷받침 할 수있다. 고등학생 이래로 터치 타이핑을 해본 사람으로서 점자와 같은 능선으로 두 개의 키를 설명하기 위해 필자는 키보드를 내려다보고 “F”와 “J”가 팁을 직관적으로 배치하는 위치인지 확인해야했습니다 입력 할 때마다 내 검지 손가락을

누군가 QWERTY 키보드에있는 홈 키 (왼손의 경우 A, S, D 및 F, 오른손의 경우 J, K, L 및 세미콜론)가 어디에 있는지 묻는다면 대답을 알고 있습니까? (일부 퀴즈 :이 표준화 된 키보드 레이아웃의 이름은 상단, 왼쪽 상단 행에있는 여섯 자의 순서에서옵니다.)

아래는 Vanderbilt University의 연구원이 2 분짜리 비디오로 특정 문자 키의 위치를 ​​명시 적으로 알지 못해도 자동으로 입력하는 방법을 보여줍니다.

소뇌의 구조 또는 기능적 연결성에 대한 손상은 누군가의 능력을 유동적으로 조율하고 실행할 수 있습니다. 소뇌에 영향을 미치는 질병은 전형적으로 다양한 형태의 운동 장애 및 이상 운동을 초래한다. 최근 존스 홉킨스 (Johns Hopkins)의 Purkinje 세포 연구 및 시행 착오의 소뇌 과정에 대한 잠재적 인 응용 중 하나는 소뇌의 이상을 진단하기위한보다 세련된 방법의 개발 일 수 있습니다.

또 다른 논문 인 “Locomotor Activity Modulates Associate Learning in Mouse Cerebellum”은 Nature Neuroscience 에서 4 월 16 일 발간되었습니다 . 이 연구   러닝 머신에서 더 빨리 달리는 생쥐가 느린 달리기보다 암묵적 기억 작업을 더 빨리 배우는 것을 발견했습니다. 더 많은 것을 위해, “왜 달리기가 소뇌에서 배우는 속도를 올리는가?”

참고 문헌

데비드 J. Herzfeld, Yoshiko Kojima, Robijanto Soetedjo 및 Reza Shadmehr. “오류의 ​​인코딩 및 소뇌 Purkinje 세포에 의해 그 오류를 수정하는 학습.” Nature Neuroscience (2018 년 4 월 16 일 온라인 게시) DOI : 10.1038 / s41593-018-0136-y

데비드 J., Herzfeld, Yoshiko Kojima, Robijanto Soetedjo 및 Reza Shadmehr. “소뇌의 Purkinje 세포에 의한 행동의 부호화” Nature (2015) DOI : 10.1038 / nature15693

존 Eccles, Janos Szentágothai, Masao Ito. “연결 기계로 Colebellum.”뉴욕 : Springer Verlag; (1967)

David Marr. “소뇌 피질의 이론” The Journal of Physiology (1969) DOI : 10.1113 / jphysiol.1969.sp008820

James S. Albus. “소뇌 기능 론” 수학 생물 과학 (1971) DOI : 10.1016 / 0025-5564 (71) 90051-4

Piergiorgio Strata. “David Marr의 소뇌 이론 : 40 년 후” The Journal of Physiology (2009) DOI : 10.1113 / jphysiol.2009.180307

Catarina Albergaria, N. Tatiana Silva, Dominique L. Pritchett 및 Megan R. Carey. “Locomotor 활동은 마우스 소뇌에서의 연관 학습을 조절합니다.” Nature Neuroscience (2018 년 4 월 16 일 온라인 게시) DOI : 10.1038 / s41593-018-0129-x