Bạn nhớ cách đi xe đạp như thế nào không? Hãy cảm ơn tiểu não của bạn.

Nghiên cứu của SEAS làm sâu sắc thêm sự hiểu biết của chúng ta về một số loại trí nhớ dài hạn

Tác giả: Leah Burrows | Liên hệ báo chí

Ngày 11 tháng 10, 2024

Bạn có nhớ tên giáo viên lớp hai của mình hoặc bạn đã ăn gì cho bữa trưa hôm nay không? Những ký ức đó có thể cách nhau hàng thập kỷ, nhưng cả hai đều được coi là trí nhớ dài hạn.

Hơn nửa thế kỷ trước, các nhà khoa học thần kinh đã phát hiện ra rằng tổn thương một vùng não gọi là thùy thái dương giữa (MTL) gây ra sự suy giảm nghiêm trọng đối với trí nhớ khai báo dài hạn — trí nhớ về các sự kiện rõ ràng như tên và ngày tháng — nhưng lại không ảnh hưởng đến trí nhớ ngắn hạn. Những bệnh nhân bị tổn thương MTL có thể theo kịp và duy trì cuộc hội thoại ngắn, nhưng chỉ sau một hoặc hai phút, họ không thể nhớ rằng cuộc trò chuyện đó đã diễn ra.

Tuy nhiên, điều đáng ngạc nhiên là những bệnh nhân đó vẫn có thể học được các kỹ năng vận động mới và giữ chúng trong nhiều ngày, nhiều tháng, hoặc thậm chí lâu hơn, cho thấy rằng tổn thương MTL không ảnh hưởng nhiều đến trí nhớ về các kỹ năng vận động.

Vậy, vùng não nào chịu trách nhiệm cho trí nhớ kỹ năng vận động dài hạn, như việc đi xe đạp? Có phải có những vùng riêng biệt nơi trí nhớ cảm giác-vận động ngắn hạn và dài hạn được hình thành không? Các nhà nghiên cứu đã cố gắng trả lời những câu hỏi này trong nhiều năm.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson của Harvard (SEAS) đã chỉ ra rằng, giống như trí nhớ khai báo, trí nhớ ngắn hạn và dài hạn cho các kỹ năng vận động được hình thành ở những vùng khác nhau của não, với tiểu não đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành trí nhớ kỹ năng dài hạn.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

"Công trình này nâng cao hiểu biết của chúng ta về vai trò của tiểu não trong học cảm giác-vận động và chỉ ra vai trò của tiểu não như một cánh cổng để hình thành trí nhớ ổn định cho các kỹ năng cảm giác-vận động, phần lớn độc lập với các hệ thống trí nhớ ngắn hạn," Maurice Smith, Giáo sư Kỹ thuật Sinh học Gordon McKay tại SEAS và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết.

Các nhà nghiên cứu từ lâu đã biết rằng tiểu não rất quan trọng đối với việc học vận động, nhưng vai trò của nó trong việc hình thành trí nhớ kỹ năng ngắn hạn và dài hạn vẫn chưa rõ ràng. Để hiểu mối liên hệ giữa tiểu não và những loại trí nhớ này, Smith và tác giả chính Alkis Hadjiosif, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại SEAS và Bệnh viện Đa khoa Massachusetts, đã lấy cảm hứng từ một loạt kết quả có vẻ lộn xộn trước đó về học vận động ở những bệnh nhân bị tổn thương tiểu não.

Mặc dù các nghiên cứu trước đó đều phát hiện bằng chứng cho thấy việc học cảm giác-vận động bị suy giảm ở những người có tổn thương tiểu não, nhưng mức độ suy giảm này lại khác nhau rất nhiều giữa họ.

"Sự khác biệt này có thể là do sự khác nhau về mức độ hoặc vị trí chính xác của tổn thương, hoặc do các loại nhiệm vụ học vận động được sử dụng, nhưng chúng tôi có một ý tưởng khác," Smith cho biết.

Smith và Hadjiosif nghĩ rằng những khác biệt nhỏ trong thời gian giữa các lần thử nghiệm — cái mà họ gọi là cửa sổ trí nhớ — có thể giải thích phần lớn các sự khác biệt đã quan sát được.

"Điều này sẽ xảy ra nếu trí nhớ cảm giác-vận động dài hạn bị tổn thương cụ thể do tổn thương tiểu não vì các cửa sổ trí nhớ dài hơn sẽ làm tăng sự phụ thuộc vào trí nhớ dài hạn bị suy giảm," Hadjiosif cho biết.

Thách thức ở đây là các khoảng thời gian này hiếm khi được báo cáo trong các bài báo đã xuất bản. Vừa là các nhà nghiên cứu, vừa là thám tử, Smith và Hadjiosif đã lần theo dữ liệu thô chi tiết từ hai nghiên cứu này, từ đó họ có thể xác định được các khoảng thời gian giữa các thử nghiệm cho toàn bộ chuỗi thử nghiệm của tất cả các cá nhân được nghiên cứu.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng cả hai nghiên cứu đều có các khoảng thời gian giữa các thử nghiệm khá ngắn và chỉ báo cáo những suy giảm nhỏ trong học tập ở những bệnh nhân mắc bệnh tiểu não nghiêm trọng so với những người khỏe mạnh. Điều này có nghĩa là khi các người tham gia được yêu cầu thực hiện cùng một nhiệm vụ, chẳng hạn, năm lần, với chỉ vài giây giữa mỗi lần lặp lại, những bệnh nhân bị thoái hóa tiểu não chỉ thực hiện kém hơn một chút so với những người khỏe mạnh.

Nhưng khi đi sâu hơn vào dữ liệu, Smith và Hadjiosif phát hiện ra điều gì đó thú vị. Giữa các lần thử nghiệm, đôi khi có nhiều thời gian hơn để nhóm nghiên cứu thiết lập lại hoặc cho người tham gia nghỉ ngơi ngắn.

"Khi chúng tôi kiểm tra sự khác biệt giữa các lần thử nghiệm này, chúng tôi phát hiện ra rằng những bệnh nhân thể hiện hiệu suất gần như bình thường trong các thử nghiệm thực hành ngắn hạn lại bị suy giảm nghiêm trọng trong các thử nghiệm dài hạn trong cùng một phiên. Và điều này xảy ra trong dữ liệu từ cả hai nghiên cứu," Hadjiosif cho biết.

Nhóm nghiên cứu sau đó đã xem xét hơn một chục nghiên cứu bổ sung, trong đó các cá nhân bị thoái hóa tiểu não thực hiện các nhiệm vụ vận động và phát hiện ra rằng những nghiên cứu sử dụng số lượng lớn các hướng di chuyển trong nhiệm vụ — điều này sẽ làm tăng thời gian giữa các thử nghiệm cùng hướng, những thử nghiệm này sẽ chia sẻ trí nhớ cảm giác-vận động — đã có sự suy giảm trí nhớ tăng lên đáng kể so với những nghiên cứu có ít hướng di chuyển hơn.

"Những phát hiện này nhấn mạnh tầm quan trọng của thời gian trong việc hiểu sự suy giảm trí nhớ ở những bệnh nhân thoái hóa tiểu não và giải đáp bí ẩn về sự biến thiên giữa các lần thử nghiệm và giữa các nghiên cứu trong tác động của tổn thương tiểu não đối với khả năng học cảm giác-vận động," Smith cho biết. "Nghiên cứu của chúng tôi thường liên quan đến việc thiết kế các thao tác thực nghiệm mới để thu thập các bộ dữ liệu mới có thể cung cấp thông tin chi tiết về cơ chế học và trí nhớ, nhưng đôi khi chỉ cần nhìn vào dữ liệu cũ qua lăng kính đúng đắn có thể còn sáng tỏ hơn."

Nghiên cứu được đồng tác giả bởi Tricia Gibo.

---

How do you remember how to ride a bike? Thank your cerebellum.

SEAS research deepens our understanding of certain types of long-term memories

By Leah Burrows | Press contact

October 11, 2024

Do you remember the name of your second-grade teacher or what you ate for lunch today? Those memories may be separated by decades, but both are considered long-term memories.

More than half a century ago, neuroscientists discovered that damage to a brain region called the medial temporal lobe (MTL) caused a severe impairment to long-term declarative memory — memories for explicit facts such as names and dates — but left very short-term memory intact. Patients with damage to the MTL could keep up with and carry on a short conversation but, just a minute or two later, couldn’t remember that the conversation even took place.

Surprisingly, though, those patients could learn new motor skills and retain them for days, months, or even longer, indicating that MTL damage had little effect on memories for motor skills.

So, what brain region is responsible for long-term motor skill memories, like riding a bike? Are there distinct regions where short- and long-term sensorimotor memories are formed? Researchers have been trying to answer these questions for years.

Now, researchers from the Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) have shown that, just like declarative memories, short-term and long-term memories for motor skills form in different regions of the brain, with the cerebellum being critical for the formation of long-term skill memories.

The research is published in the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

“This work advances our understanding of the role of the cerebellum in sensorimotor learning and points towards the role of the cerebellum as a gateway to the formation of stable memories for sensorimotor skills, largely independent of the short-term memory systems,” said Maurice Smith, Gordon McKay Professor of Bioengineering at SEAS and senior author of the study.

Researchers have long known that the cerebellum is critical for motor learning, but the role it plays in forming short- and longer-term skill memory was unclear. To understand the connection between the cerebellum and these memories, Smith and first author Alkis Hadjiosif, a postdoctoral fellow at SEAS and Massachusetts General Hospital, took inspiration from a seemingly messy set of previous results on motor learning in patients with cerebellar damage.

While these previous studies all found evidence for impaired sensorimotor learning in individuals with cerebellar damage, the size of this impairment varied widely among them.

“While this discrepancy might have been due to differences in the amount or precise location of the damage or to differences in the types of motor learning tasks employed, we had a different idea,” said Smith.

Smith and Hadjiosif thought that subtle differences in the time between trials — what they call the memory window — might explain most of the observed discrepancies.

“This would be the case if long-term sensorimotor memory was specifically impaired by cerebellar damage because longer memory windows would increase reliance on the impaired long-term memory,” said Hadjiosif.

The challenge was that these time intervals were seldom reported in published papers. Part researchers, part detectives, Smith and Hadjiosif tracked down the detailed raw data from two of these studies, from which they could determine the intertrial intervals for the entire trial sequences for all the individuals studied.

The researchers found that both studies had rather short intertrial intervals overall and reported only small impairments in learning for patients with severe cerebellar disease compared to healthy individuals. This meant that when participants were asked to perform the same task, say, five times, with only a few seconds between each repetition, the patients with cerebellar degeneration performed only slightly worse than healthy individuals.

But by diving deeper into the data, Smith and Hadjiosif found something interesting. Between trials, there was sometimes more time to allow the research team to reset or the participant to take a short break.

“When we examined these trial-to-trial differences, we found that the same patients who displayed near-normal performance on their short-interval practice trials were dramatically impaired on long-interval trials within the same session. And this was the case in the data from both studies,” said Hadjiosif.

The team then looked at more than a dozen additional studies in which individuals with cerebellar degeneration performed motor tasks and found that the studies that used a larger number of movement directions in the task —which would increase the time between same-direction trials that would share sensorimotor memory — had dramatically increased memory impairment compared to those with fewer movement directions.

“These findings highlight how important time is to understanding memory degradation in patients with cerebellar degeneration and solve the mystery of the trial-to-trial and study-to-study variability in the effects of cerebellar damage on sensorimotor learning ability,” said Smith. “Our research usually involves designing new experimental manipulations to acquire novel data sets that can provide insight into the mechanisms for learning and memory, but sometimes simply looking at old data through the right lens can be even more illuminating.”

The research was co-authored by Tricia Gibo.

https://seas.harvard.edu/news/2024/10/how-do-you-remember-how-ride-bike-thank-your-cerebellum