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Science:通过植入记忆到大脑中让鸟类学会唱歌

来源:本站原创 2019-10-05 16:51

2019年10月5日讯/生物谷BIOON/---动物是通过模仿行为来学习的,比如当动物宝宝模仿其母亲的说话声音,或者年轻的雄性斑胸草雀(zebra finch)模仿年长的雄性导师(通常是其父亲)的求偶之声。在一项新的研究中,来自美国德克萨斯大学西南医学中心的研究人员确定了草雀用来学习鸣叫音节长度的神经回路,随后利用光遗传学操纵这种神经回路,构建出一种错误的记忆供幼鸟用来发出它们成年时的求偶之声。相关研究结果发表在2019年10月4日的Science期刊上,论文标题为“Inception of memories that guide vocal learning in the songbird”。
图片来自UTSW。

美国约克学院生物学家Dina Lipkind(未参与这项新的研究)说,“为了从观察中学习,你必须创造出某人做对了某件事的记忆,然后利用这些感觉信息来引导你的运动系统来学习如何执行该行为。我们真的不知道这些记忆是在哪里和如何形成的。”这些作者们“解决了这个过程的第一步,即你如何形成随后将指导你执行该行为的记忆。”

论文通讯作者、德克萨斯大学西南医学中心神经科学家Todd Roberts说,“我们最初的目标其实要温和得多。”最初,Roberts实验室的研究生Wenchan Zhao着手测试在年幼草雀与雄性导师(即下文中的年长鸟类)互动时,破坏这种神经活动是否能够阻断这种鸟类形成交互记忆的能力。她利用光线操纵经过基因改造后对一个大脑回路中的光线照射敏感的细胞,其中已知这个大脑回路参与幼鸟歌声学习。

当这些年幼草雀与它们的年长鸟类一起度过时光时,Zhao通过往这些鸟类的大脑中照射光线来激活这些经过基因改造的细胞,与此同时,作为对照的年幼草雀独自一人生活着。随后,她注意到这些所谓的对照鸟类发出的歌声与众不同----不仅不同于从未见过年长鸟类的年幼鸟类发出的歌声,而且也不同于与年长鸟类互动的那些年幼鸟类发出的歌声。

Roberts说,一旦Zhao和她的同事们听到了不寻常的歌曲,他们决定“测试这种神经回路中的活动是否足以植入记忆”。

这些研究人员用50或300毫秒的光遗传脉冲连续五天刺激年幼鸟类的神经回路,在这段时间里,它们通常会与年长鸟类互动,但没有成年雄鸟在场。当这些年幼鸟类长大后,它们会唱与它们接受光照的时间相一致的成年求偶歌曲。那些接受短脉冲光线照射的年幼鸟类在长大后唱歌的声音持续约50毫秒,而那些接受扩展脉冲光线照射的年幼鸟类在长大后会保持更长的音符。某些歌曲功能(包括音高以及歌曲中和声音节的嘈杂程度)似乎并未受到光遗传学操作的影响。作为另一个测量指标,熵(entropy)近似于通信中携带的信息量,它在正常接受年长鸟类辅导的年幼鸟类和那些接受50毫秒光遗传脉冲照射的年幼鸟类之间是无法区分的,但是在接受年长鸟类辅导的年幼鸟类唱的歌曲中的熵要大于独自生活的年幼鸟类和那些接受300毫秒光脉冲照射的年幼鸟类唱的歌曲中的熵。

虽然对这种神经回路的操纵影响了草雀歌曲中声音的持续时间,但是其他的唱歌行为要素(包括唱歌出现的时间表,鸟类练习的频率以及它们最终在何种社交场合使用这些歌曲)都类似于那些从成年鸟类学习的年幼鸟类。

这些研究人员随后确定当这些年幼鸟类在与唱歌的年长鸟类互动的同时受到光刺激时,它们在成年时唱的歌曲更像那些仅受到光刺激的年幼鸟类,这表明光遗传学刺激可以代替年长鸟类的辅导。

当这些研究人员在年幼鸟类遇到它们的年长鸟类之前破坏这种神经回路时,它们没有尝试模仿成年时的求偶歌曲。但是如果这些年幼鸟类的这种神经回路在遭受破坏之前,它们有机会与年长鸟类互动,那么它们在学习歌曲方面就不会有问题。这一发现指出了这种神经回路在形成发声时间的初始记忆中起着至关重要的作用,但在长期存储记忆方面却没有发挥作用,因此它可以用来指导歌曲的形成。

Roberts告诉《科学家》杂志,“我们能够植入的是有关鸟类想要尝试学习如何唱歌的音节持续时间的信息。”但他说,鸟类在学习歌曲时还需要注意许多其他的特征,包括音高,以及如何将音节按正确的顺序排列。下一步是确定携带其他信息类型的神经回路,并研究编码这些记忆的机制和它们在大脑中的储存位置。

美国芝加哥大学神经科学家Sarah London(未参加这项新的研究)同意这项研究中使用的策略可以作为模板,用来区分学到的歌曲的其他特征从何而来。不过,她说,从更广泛的意义上讲,这项针对鸣禽开展的研究与我们对学习和记忆理解的更广阔前景相关联在一起。

她解释说,歌曲学习“是一种复杂的行为,需要多个大脑区域在长期的发育过程中协调它们的功能。无论如何,大脑在变化,最重要的是大脑的行为也在变化。”她补充说,研究斑胸草雀唱歌的产生可以深入了解“成熟的神经回路如何受到环境的影响”,包括大脑的内部环境和外部社交环境。“这是一个真正独特的机会,不仅是对歌曲而言,也不仅是对语言而言,而且对在更大的背景下的学习而言---孩子们试图理解并采用适合他们的时间和地点的行为模式。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Wenchan Zhao et al. Inception of memories that guide vocal learning in the songbird. Science, 2019, doi:10.1126/science.aaw4226.

2.David F. Clayton. Learning birdsong by imitation. Science, 2019, doi:10.1126/science.aaz1552.

3.Researchers Implant Memories in Zebra Finch Brains
https://www.the-scientist.com/news-opinion/researchers-implant-memories-in-zebra-finch-brains-66527
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