“記憶”移植，從未聽過的歌鳥兒不學習也會唱_風聞

撰文 | 鹹姐

責編 | 兮

來源：BioArt

大腦是如何對模仿父母講話所需的記憶進行編碼的？當這個過程出錯時，科學家們能進行干預嗎？

一位父親抱着他剛出生的寶寶，他們的臉只有幾英寸的距離，開心地重複着“BaBa”這兩個音節，幾個月後，嬰兒開始咿呀學語時，漸漸地“B”“a”連成了“爸爸”，然後毫無預兆地開啓了人生的説話之旅。 

我們這一生，説話、唱歌，乃至其他一些傳播文化的行為，似乎都不用刻意地教，只要跟着長輩、老師或者相關領域的專家，慢慢地開始模仿，好壞暫且不論，但不知不覺地也就學會了，可能還會帶有自己的風格。然而，我們身邊有那麼一個羣體，他們有着不同程度的神經發育障礙，如自閉症，他們在一定程度上缺乏模仿學習的能力，導致他們表現出不同程度的語言障礙、人際交往障礙、興趣狹窄和行為方式刻板等。 

而模仿學習的行為涉及了大腦觀察行為的長期記憶，它可以通過提供用以評估未來表現的質量的內部標準來指導程序性學習過程******[1****]，其實，這種看似簡單的學習模仿行為，是需要我們的神經系統進行一系列不同尋常的轉換的，被模仿對象的行為首先必須被感知，並以一種感覺模式表現出來，然後，這種感覺模式必須被轉換成一套足以複製預期目標的運動模式。研究發現，與情景記憶不同，用來指導模仿行為的記憶（也可被稱為行為目標記憶）並不需要海馬體的參與，而是被認為直接編碼在腦皮層迴路中[2, 3****]******，然而，編碼這些記憶的突觸通路仍然未被發現。 

此時，我們不禁想問，大腦是如何對模仿父母講話所需的記憶進行編碼的？當這個過程出錯時，科學家們能進行干預嗎？ 

2019年10月4日，來自美國德克薩斯大學西南醫學中心的Todd F. Roberts教授團隊（一作為Wenchan Zhao）在Science上發表題為“Inception of memories that guide vocal learning inthe songbird**”**的文章，在一項最新的關於鳴鳥的研究中回答了上述問題，找到了編碼幼年雄性斑胸草雀行為目標記憶的基本回路，同時該研究表明，即使沒有從父母那裏得到任何學習教育，記憶也可以被植入大腦來教授發聲，從而為人們瞭解在人腦的哪些部位進行研究可以更好地理解自閉症和其他語言障礙疾病提供了令人信服的線索。

 我們知道，成熟的鳥鳴是一種結果精確的表演，由一些短的聲音元素（音節）以精確的順序重複組成，每一輪大概持續1-2秒。這些音節有不同的複雜的聲學結構，包括成堆的諧波頻率和多變的振幅。因此，即使是模仿對象相同，每隻鳥最終也能形成不同的歌曲，用於自己的社交。 

本文的研究人員利用斑胸草雀作為研究對象，因為它們與人類的發聲發育的各階段都有相似之處：為了進行準確的複製，年輕的斑胸草雀必須學會如何形成單個音節，如何排列它們，以及它們如何在時間上間隔。學習的過程始於幼鳥聽到他們的成年“導師”（通常為父親）唱歌，從而產生相關的感覺記憶，這些記憶將作為參考“模板”，在接下來的時間裏，幼鳥將發展自己的歌曲，通過不斷嘗試和試錯來完善自己的聲樂表演，直到與“模板”吻合，最終學會了可用於社交的專屬成年歌曲（圖1）。

圖1 幼年雄性斑胸草雀學習歌曲的時間線（dph: days post-hatching孵化後天數）

 這個兩階段的過程意味着至少要構建兩個神經表徵：對父親唱歌表現的初始感官表徵，以及產生幼鳥模仿的運動表徵。已有研究證實，一個對歌曲的產生所必須的運動前大腦皮層區域HVC，參與了從聽覺經驗中的學習。那麼，從導師的歌聲中學習到的感覺“模板”是如何轉化成一組肌肉動作來重現聲音的呢？本文的研究者將焦點放在了內皮層感覺運動核NIf（interfacialis of the nidopallium）上，NIf是HVC最大的聽覺輸入源，同時也與歌曲學習有關（圖2）。研究發現，在輔導過程中，NIf或HVC活動的中斷干擾了對輔導歌曲行為目標記憶的編碼。

圖2聽覺（藍色）和歌唱運動迴路（橙色）的旁矢狀切面示意圖

 那麼問題來了，NIf-HVC的活動是否可以從一開始就編碼導師之歌的某些方面，並以某種方式將它們轉換成運動模式呢？如果是這樣，那麼只有在輔導過程中才可能選擇性地改變NIf-HVC的放電模式，並最終表現在成熟歌曲中。 

為了驗證這種假設，本文的研究者們使用光遺傳學來操縱幼年鳥類的NIf-HVC突觸的活動，以測試這種操縱是否可以植入避開聲音模型中的聽覺和社會經驗的記憶，並指導其對歌曲時間結構的學習。在幼鳥接觸成年歌曲之前（即避免其與外界接觸），研究人員將表達了光敏感通道2（ChR2）的病毒注射入NIf中（以給予光照的電生理學反應），然後植入光導纖維以把光脈衝傳遞到NIf-HVC突觸，維持幾天，光脈衝的持續時間比典型的歌曲音節（指自然狀態下模仿父親而學習的歌曲）短一些或長一些（圖3）。待鳥兒成年後，結果顯示，接受短脈衝訓練的鳥兒發出的歌聲中，音節明顯比正常情況下要短，而接受長脈衝訓練的鳥兒歌聲中的音節則比正常情況下要長。值得注意的是，這些效應在光遺傳學輔導結束後，經過一段時間才顯現出來，研究者們觀察到典型的幼鳥聲樂訓練和提高的多周時間過程，因此也證明，NIf-HVC突觸的光遺傳學刺激植入了行為目標記憶，從而指導學習的過程，而不是直接在幼年動物身上訓練特定的運動程序。

圖3 使用50ms光脈衝的光遺傳學輔導實驗時間線 此外，本文的研究人員還發現，如果在模仿父親的學習之前，在基因層面破壞NIf-HVC通路，則幼鳥的歌曲學習發展過程受到干擾，但是如果NIf-HVC通路的破壞發生在模仿學習之後，則幾乎不會影響歌曲的成形。從而説明，形成一種用於引導歌曲音節持續時間學習的記憶需要NIf-HVC環路的作用，而一旦獲得這種行為目標記憶，則該通路就不是必需的了。由此也提示，至少某些用於評價發聲特點的被模仿歌曲的記憶最終存儲在NIf和HVC之間突觸的下游。 

綜上所述，**本研究利用斑胸草雀，發現了一條聲音-運動神經元通路——NIf-HVC通路，在這裏可以給幼鳥植入引導歌曲音節持續時間學習的記憶，這條通路中突觸的激活為指導歌曲的持續時間學習的記憶播下了種子，這些感覺運動突觸的活動可以繞過聽覺和社會經驗的學習，從而使得幼鳥在出生後即使沒有跟外界發生任何互動，也可以學會唱歌，而幫助其參與成年後的社交。**由此也為人類語言學習的探索以及語言障礙的治療提供了方向和希望。

參考文獻

[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.

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