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“记忆”移植,从未听过的歌鸟儿不学习也会唱

2019-10-17 10:14:55 来源: 阅读:1

大脑是如何对模仿父母讲话所需的记忆进行编码的?当这个过程出错时,科学家们能进行干预吗?

撰文 | 咸姐

责编 | 兮

一位父亲抱着他刚出生的宝宝,他们的脸只有几英寸的距离,开心地重复着“BaBa”这两个音节,几个月后,婴儿开始咿呀学语时,渐渐地“B”“a”连成了“爸爸”,然后毫无预兆地开启了人生的说话之旅。

我们这一生,说话、唱歌,乃至其他一些传播文化的行为,似乎都不用刻意地教,只要跟着长辈、老师或者相关领域的专家,慢慢地开始模仿,好坏暂且不论,但不知不觉地也就学会了,可能还会带有自己的风格。然而,我们身边有那么一个群体,他们有着不同程度的神经发育障碍,如自闭症,他们在一定程度上缺乏模仿学习的能力,导致他们表现出不同程度的语言障碍、人际交往障碍、兴趣狭窄和行为方式刻板等。

而模仿学习的行为涉及了大脑观察行为的长期记忆,它可以通过提供用以评估未来表现的质量的内部标准来指导程序性学习过程 [1],其实,这种看似简单的学习模仿行为,是需要我们的神经系统进行一系列不同寻常的转换的,被模仿对象的行为首先必须被感知,并以一种感觉模式表现出来,然后,这种感觉模式必须被转换成一套足以复制预期目标的运动模式。研究发现,与情景记忆不同,用来指导模仿行为的记忆(也可被称为行为目标记忆)并不需要海马体的参与,而是被认为直接编码在脑皮层回路中 [2, 3],然而,编码这些记忆的突触通路仍然未被发现。

此时,我们不禁想问,大脑是如何对模仿父母讲话所需的记忆进行编码的?当这个过程出错时,科学家们能进行干预吗?

2019年10月4日,来自美国德克萨斯大学西南医学中心的Todd F. Roberts教授团队(一作为Wenchan Zhao)在Science上发表题为“Inception of memories that guide vocal learning inthe songbird的文章,在一项最新的关于鸣鸟的研究中回答了上述问题,找到了编码幼年雄性斑胸草雀行为目标记忆的基本回路,同时该研究表明,即使没有从父母那里得到任何学习教育,记忆也可以被植入大脑来教授发声,从而为人们了解在人脑的哪些部位进行研究可以更好地理解自闭症和其他语言障碍疾病提供了令人信服的线索。

“记忆”移植,从未听过的歌鸟儿不学习也会唱

我们知道,成熟的鸟鸣是一种结果精确的表演,由一些短的声音元素(音节)以精确的顺序重复组成,每一轮大概持续1-2秒。这些音节有不同的复杂的声学结构,包括成堆的谐波频率和多变的振幅。因此,即使是模仿对象相同,每只鸟最终也能形成不同的歌曲,用于自己的社交。

本文的研究人员利用斑胸草雀作为研究对象,因为它们与人类的发声发育的各阶段都有相似之处:为了进行准确的复制,年轻的斑胸草雀必须学会如何形成单个音节,如何排列它们,以及它们如何在时间上间隔。学习的过程始于幼鸟听到他们的成年“导师”(通常为父亲)唱歌,从而产生相关的感觉记忆,这些记忆将作为参考“模板”,在接下来的时间里,幼鸟将发展自己的歌曲,通过不断尝试和试错来完善自己的声乐表演,直到与“模板”吻合,最终学会了可用于社交的专属成年歌曲(图1)。

“记忆”移植,从未听过的歌鸟儿不学习也会唱

图1 幼年雄性斑胸草雀学习歌曲的时间线(dph: days post-hatching孵化后天数)

这个两阶段的过程意味着至少要构建两个神经表征:对父亲唱歌表现的初始感官表征,以及产生幼鸟模仿的运动表征。已有研究证实,一个对歌曲的产生所必须的运动前大脑皮层区域HVC,参与了从听觉经验中的学习。那么,从导师的歌声中学习到的感觉“模板”是如何转化成一组肌肉动作来重现声音的呢?本文的研究者将焦点放在了内皮层感觉运动核NIf(interfacialis of the nidopallium)上,NIf是HVC最大的听觉输入源,同时也与歌曲学习有关(图2)。研究发现,在辅导过程中,NIf或HVC活动的中断干扰了对辅导歌曲行为目标记忆的编码。

“记忆”移植,从未听过的歌鸟儿不学习也会唱

图2听觉(蓝色)和歌唱运动回路(橙色)的旁矢状切面示意图

那么问题来了,NIf-HVC的活动是否可以从一开始就编码导师之歌的某些方面,并以某种方式将它们转换成运动模式呢?如果是这样,那么只有在辅导过程中才可能选择性地改变NIf-HVC的放电模式,并最终表现在成熟歌曲中。

为了验证这种假设,本文的研究者们使用光遗传学来操纵幼年鸟类的NIf-HVC突触的活动,以测试这种操纵是否可以植入避开声音模型中的听觉和社会经验的记忆,并指导其对歌曲时间结构的学习。在幼鸟接触成年歌曲之前(即避免其与外界接触),研究人员将表达了光敏感通道2(ChR2)的病毒注射入NIf中(以给予光照的电生理学反应),然后植入光导纤维以把光脉冲传递到NIf-HVC突触,维持几天,光脉冲的持续时间比典型的歌曲音节(指自然状态下模仿父亲而学习的歌曲)短一些或长一些(图3)。待鸟儿成年后,结果显示,接受短脉冲训练的鸟儿发出的歌声中,音节明显比正常情况下要短,而接受长脉冲训练的鸟儿歌声中的音节则比正常情况下要长。值得注意的是,这些效应在光遗传学辅导结束后,经过一段时间才显现出来,研究者们观察到典型的幼鸟声乐训练和提高的多周时间过程,因此也证明,NIf-HVC突触的光遗传学刺激植入了行为目标记忆,从而指导学习的过程,而不是直接在幼年动物身上训练特定的运动程序。

“记忆”移植,从未听过的歌鸟儿不学习也会唱

久联优配图3 使用50ms光脉冲的光遗传学辅导实验时间线

此外,本文的研究人员还发现,如果在模仿父亲的学习之前,在基因层面破坏NIf-HVC通路,则幼鸟的歌曲学习发展过程受到干扰,但是如果NIf-HVC通路的破坏发生在模仿学习之后,则几乎不会影响歌曲的成形。从而说明,形成一种用于引导歌曲音节持续时间学习的记忆需要NIf-HVC环路的作用,而一旦获得这种行为目标记忆,则该通路就不是必需的了。由此也提示,至少某些用于评价发声特点的被模仿歌曲的记忆最终存储在NIf和HVC之间突触的下游。

综上所述,本研究利用斑胸草雀,发现了一条声音-运动神经元通路——NIf-HVC通路,在这里可以给幼鸟植入引导歌曲音节持续时间学习的记忆,这条通路中突触的激活为指导歌曲的持续时间学习的记忆播下了种子,这些感觉运动突触的活动可以绕过听觉和社会经验的学习,从而使得幼鸟在出生后即使没有跟外界发生任何互动,也可以学会唱歌,而帮助其参与成年后的社交。由此也为人类语言学习的探索以及语言障碍的治疗提供了方向和希望。

参考文献

久联优配[1] Gariépy JF,Watson KK, Du E et al. Social learning in humans and other animals. FrontNeurosci. 2014, 8:58.

[2] Peters AJ,Liu H, Komiyama T. Learning in the Rodent Motor Cortex. Annu Rev Neurosci. 2017Jul 25;40:77-97.

[3]Iacoboni M.Neural mechanisms of imitation. Curr Opin Neurobiol. 2005 Dec;15(6):632-7.

本文经授权转载自微信公众号“BioArt”,戳“http://science.sciencemag.org/content/366/6461/83”可查看原文。

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