精细运动需要精确的肌肉协同作用，这依赖于皮质内突触对皮质脊髓神经元的协调补充6，7获得新的运动技能可以加强初级运动皮层的水平皮层联系4，5在这项研究中，我们教小鼠一个单种子到达任务(补充电影1). 经过训练的大多数1个月大的小鼠在最初4天内逐渐提高了成功率，然后趋于平稳(n个= 42,). 有几只老鼠(n个=5）进行了广泛的接触，但始终未能抓住种子。这些小鼠通常在4-8天后放弃伸手(). 为了研究完整运动皮层中学习诱导的突触重塑过程，我们在运动学习期间和运动学习后，重复成像了以黄色荧光蛋白（YFP-H线）转基因表达为标志的V层锥体神经元的相同顶树突，使用经颅多普勒双光子显微镜8(补充图1). 树突状棘是大脑中大多数兴奋性突触的突触后位点，棘形态和动力学的变化是突触可塑性的良好指标9，10通过比较两个时间点的图像来识别形成和消除的脊柱，然后将其归一化为初始图像。通过立体定向测量引导成像区域，确保成像神经元位于初级运动皮层。在几个实验中，在重复成像结束时进行皮层内微刺激，以确认图像是从功能反应的运动皮层拍摄的(，补充说明和补充图2).
青春期小鼠的运动技能学习促进了对侧运动皮层的即时脊柱形成一，一部关于运动训练的动画片。b条，学习和非学习小鼠在训练期间的平均成功率（平均值±标准差，42名学习者和5名非学习者）。c（c）大脑皮层内的微刺激图表明，成像区域位于运动皮层内。比例尺，1 mm。d日，e（电子），在一天的时间间隔内重复成像相同的树突分支，显示脊柱消失（箭头）和形成（箭头），以及在一般对照中的丝状伪足（星号）(d日)和一个训练有素的(e（电子）)鼠标。比例尺，2μm。如果，第一次训练后在各种控制和训练条件下形成和消除的脊椎百分比（平均值±标准差***P（P）< 0.001).克，第一次训练后观察到的脊柱形成程度与本次训练中成功伸展的次数呈线性相关(第页2= 0.77).
出乎意料的是，我们发现运动学习导致前肢对侧运动皮层中树突棘的快速形成（棘发生）。一个月大的小鼠在第一天的训练中完成了30次伸展，成功10次以上，在训练后的1小时内对其进行成像，显示出10.6±1.1%的新脊椎，这些新脊椎不在训练前一天的图像中。这种脊柱形成是年龄匹配的对照组的两倍多，这些对照组在相同的时间段内进行了类似的处理和成像，但没有经过训练(，一般控制为4.7±0.6%，P（P）< 0.001). 相比之下，在同一图像中测量的脊椎消除率在单次训练期间没有因运动学习而显著改变(，P（P）> 0.9). 此外，经过塑形但没有训练的小鼠（塑形控制组）或训练后伸手去抓太远而抓不到的种子的小鼠（活动控制组）的脊椎形成率没有增加(，P（P）>0.1，带一般控制，P（P）训练过的小鼠<0.001；看见方法对于所有控制条件）。这表明精细运动的精细化，而不是其他与训练相关的经验或不熟练的运动活动，可以促进脊柱的强健形成。此外，第一次训练后立即形成的脊椎百分比与训练期间成功达到的次数呈线性相关，这表明学习与脊椎形成之间存在直接联系(，第页2= 0.77).
运动技能的完善往往需要长期坚持练习。为了研究长期学习对脊椎动力学的影响，我们对小鼠进行了不同时间段（即2至16天）的训练和成像。我们发现，2天或更长时间的训练不仅使脊柱形成显著增加，而且使脊柱消除(，P（P）所有时间点均<0.005）。虽然延迟了，但脊椎消除的增加最终导致训练动物的脊椎总密度在第16天恢复到控制水平(). 作为对照，我们在4天的训练期间测量了同侧（训练肢体）初级运动皮层和对侧后部感觉皮层的脊柱形成和消除情况，发现两种情况下的脊柱形成或消除都没有显著增加(，P（P）> 0.2). 此外，没有学习能力的小鼠也没有表现出脊柱形成的增加或对侧运动皮层的消除(和，P（P）> 0.6). 因此，观察到的脊椎动力学变化具有区域和学习特异性，表明运动学习导致相应运动皮层的突触重组。
青少年运动训练期间增强的脊椎动力学具有区域和学习特异性一，b条，形成脊柱的百分比(一)并被淘汰(b条)在控制和训练条件下。c（c），在初始学习期间，总脊椎数量增加，但随着训练时间的延长，脊椎数量恢复到正常水平。d日，e（电子），4天内同侧初级运动皮层相同树突分支的成像(d日)和对侧感觉皮层(e（电子）)训练过的老鼠。如果，在4天内，对一只未能学习该任务的小鼠的对侧运动皮层中的相同树突分支进行成像。数据表示为平均值±标准差*P（P）< 0.05, **P（P）< 0.01, ***P（P）< 0.001. 比例尺，2μm。
快速脊髓发生后脊髓损伤加重反映了神经元回路对学习的反应，而不是简单地增加新的脊髓。为了研究学习是如何重组突触连接的，我们对同一只小鼠进行了三次成像，根据它们在最初两张图像中的外观将成像的脊椎分为新的和预先存在的脊椎，然后在第三张图像中量化它们的存活率(). 我们的数据表明，新的脊椎通常不如现有脊椎稳定(). 具体而言，在对照小鼠中，第0天和第4天形成的脊椎分别在第6天、第8天和第16天保留了43.8±3.1%、25.8±5.3%和19.2±4.6%。在同一时间段内，保留了96.7±0.5%、94.9±1.1%和92.8±1.9%的原有脊柱(，P（P）与新脊椎相比<0.001）。这些结果表明，新的脊椎最初是不稳定的，在转化为稳定的突触之前经历了一个漫长的选择过程。此外，我们发现新的脊椎在训练过的小鼠中显著更稳定，在最初4天训练期间形成的脊椎中，分别有64.1±2.2%、55.3±4.1%和51.0±4.8%的脊椎剩余到第6天、第8天和第16天(，P（P）与对照小鼠的新脊椎相比<0.001）。相比之下，在相同的时间段内，训练过的小鼠中预先存在的脊椎明显不如对照组小鼠稳定(，P（P）< 0.05). 更重要的是，当几个月后（第120天）检查初始学习期间（第0-4天）形成的新脊椎的命运时，我们发现，在青春期训练16天的小鼠中，42.3±2.9%的新脊柱仍然存在，而在对照小鼠中，只有13.5±1.7%的新脊髓仍然存在(，P（P）< 0.001). 此外，我们发现脊柱的形成和稳定与行为改善有关。与学习维持期（第5-16天）相比，学习获得期（第1-4天）每天形成的新脊椎更多；在学习获得过程中而不是在维持过程中形成的新脊椎最好通过持续训练来稳定(补充说明和补充图3). 综上所述，这些数据表明，运动学习选择性地稳定学习诱导的新脊椎，并破坏原有脊椎的稳定性。学习诱导的突触的持续性延长为巩固持久的、可能是永久的运动记忆提供了潜在的细胞机制。
运动技能学习可以稳定新形成的脊椎一，实验时间表，显示可能的结果。b条，c（c），对照组在第0天、第4天和第120天的树突状分支重复成像(b条)和受过训练的(c（c）)鼠标。比例尺，2μm。d日，对照组和训练组动物新脊椎和原有脊椎的存活百分比（平均值±标准差*P（P）<0.05和***P（P）< 0.001). 每个时间点检查的动物数量显示在新的脊椎数据点下方。
哺乳动物大脑中的树突不仅含有棘，还含有丝足。Filopodia是一种细长的突起，没有球根状头部，占1个月大小鼠运动皮层树突突起总数的10%。先前的研究表明，丝状伪足是树突棘的前身11，12我们发现丝状伪足在小鼠运动皮层中非常活跃体内在对照组小鼠中，大多数在1天内翻身（79.3±12.8%的形成和87.6±5.9%的消除），运动学习对丝足形成和消除（91.0±15.3%的形成和86.5±8.8%的消除，P（P）> 0.2). 在最初的图像中观察到的丝状伪足中，在第二天，在对照组小鼠中很少有成棘（6.3%）。然而，运动技能学习（13.1%）增强了这种丝-脊转换。此外，在训练第1天由丝状伪足形成的25%的新棘在另一个4天的训练后持续存在，表明丝状伪满对重新连接的神经元回路有贡献。此外，当将丝状足类和棘类汇集在一起进行分析时，对照组和训练组的动力学都增加了约10%。因此，运动学习对总前突的结论与脊柱分析本身是一致的(补充图4).
运动技能学习的一个重要特点是，一旦技能学好，就不需要经常练习来进一步维持。为了测试结构稳定的神经回路中是否包含持久的运动记忆，我们训练幼鼠8-16天以获得伸手技能，将其置于控制笼中4个月，并在成年后对其进行同样的训练。我们发现，这些经过预训练的小鼠即使在重新引入到达任务的第一天，也能保持娴熟的表现和较高的成功率(). 对这些经过预训练的成年小鼠的成像显示，再训练期间脊柱的形成和消除与未经训练的幼稚成年小鼠相似(，P（P）>0.1（4天和8天）。相比之下，首次学习伸手任务的幼稚成年鼠的学习曲线与青春期小鼠相似，与对照组成年鼠相比，其脊柱的形成和消除明显更高(、4天和8天，P（P）<0.01，控制形成和消除）。接下来，我们询问学习一种新的运动技能是否会继续推动预先训练的大脑中的突触重组。为了做到这一点，我们用一种新的运动任务（即卡佩里尼处理任务）训练了那些在到达任务上经过预先训练的小鼠，这种任务也需要良好的前肢运动技能（参见方法).我们发现，经过预训练的小鼠，与幼稚的成年小鼠类似，在这项新技能任务的训练过程中，脊椎的形成和消除得到了增强(，P（P）与对照组成年人相比<0.001）。尽管新技能学习诱导了高脊柱动力学，但在青少年学习达到任务期间形成并在成年人中保持的大多数脊柱在接受卡佩里尼处理任务训练后仍然存在（95.6±7.7%），这表明已经稳定的突触不会受到成年人新学习的干扰。这些结果表明，突触结构编码持续了早期学习经历，并在成年后持续支持后期运动技能的维持。新的学习经历继续推动突触重组，而不影响先前学习期间形成的突触的稳定性，这一事实进一步表明，不同的运动行为是使用大脑中不同的突触集合存储的。
新型运动技能训练促进成年小鼠脊柱的形成和消除一，预训练小鼠在成年再训练期间的成功率很高（平均值±标准偏差，10名接受过训练的幼稚小鼠和14名接受过再训练的成年小鼠）。b条——如果，对照成人树突状分支4天以上重复成像(b条)幼稚的成年人在完成任务时进行训练(c（c）)和卡佩里尼处理任务(d日)和预先培训的成人再培训，使用相同的到达任务和新的卡佩里尼处理任务(如果). 比例尺，2μm。克在不同条件下，成年小鼠在4天内形成和消除的棘的百分比（平均值±标准差***P（P）< 0.001).
我们的研究调查了自然学习过程中活体大脑中突触重组的过程，将其与一些由非生理感官操作触发的变化的研究区分开来13——18虽然在长期增强过程中观察到快速突触形成在体外19，20我们首次表明，当动物在活体大脑中学习新任务时（训练开始后1小时内），新皮质中的突触立即开始形成。这种脊柱高度的形成并不是仅通过运动活动或后来的既定技能练习来实现的。反应的快速性与一般的假设相矛盾，即运动皮层的突触结构显著重塑需要几天的时间才能发生，随后是更微妙的细胞活动和突触效能的变化4，21，22最近对脑切片的一项研究表明，新形成的脊椎中表达的谷氨酸敏感电流与体积相当的成熟脊椎无法区分23进一步表明，在学习过程中形成的新脊椎可能是活跃的。此外，新的脊椎持续数月为增强的突触强度提供了持久的结构基础，即使任务性能中断，突触强度也能保持。
许多先前的研究使用固定组织制备来研究运动技能学习后突触数量和树突复杂性的变化24——28.我们的体内V层锥体神经元的浅表树突成像显示，突触后树突棘的增加很快，但最终被原有棘的丢失所抵消，导致运动学习过程中棘密度的时间依赖性变化。虽然我们研究中观察到的突触发生与早期结果一致，但其与行为改善的时间关系以及运动学习期间其他脑层和区域的回路重组中突触消除的贡献需要进一步研究。这种突触数量的最终平衡可能是一种稳态机制，通过这种机制，输出层V神经元将汇聚的输入整合到皮层浅层，以控制精确的精细运动控制。
