動(dòng)物是通過模仿行為來學(xué)習(xí)的，比如當(dāng)動(dòng)物寶寶模仿其母親的說話聲音，或者年輕的雄性斑胸草雀（zebra finch）模仿年長(zhǎng)的雄性導(dǎo)師（通常是其父親）的求偶之聲。在一項(xiàng)新的研究中，來自美國(guó)德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的研究人員確定了草雀用來學(xué)習(xí)鳴叫音節(jié)長(zhǎng)度的神經(jīng)回路，隨后利用光遺傳學(xué)操縱這種神經(jīng)回路，構(gòu)建出一種錯(cuò)誤的記憶供幼鳥用來發(fā)出它們成年時(shí)的求偶之聲。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2019年10月4日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Inception of memories that guide vocal learning in the songbird”。

圖片來自UTSW

美國(guó)約克學(xué)院生物學(xué)家Dina Lipkind（未參與這項(xiàng)新的研究）說，“為了從觀察中學(xué)習(xí)，你必須創(chuàng)造出某人做對(duì)了某件事的記憶，然后利用這些感覺信息來引導(dǎo)你的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來學(xué)習(xí)如何執(zhí)行該行為。我們真的不知道這些記憶是在哪里和如何形成的。”這些作者們“解決了這個(gè)過程的第一步，即你如何形成隨后將指導(dǎo)你執(zhí)行該行為的記憶。”

論文通訊作者、德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)科學(xué)家Todd Roberts說，“我們最初的目標(biāo)其實(shí)要溫和得多。”最初，Roberts實(shí)驗(yàn)室的研究生Wenchan Zhao著手測(cè)試在年幼草雀與雄性導(dǎo)師（即下文中的年長(zhǎng)鳥類）互動(dòng)時(shí)，破壞這種神經(jīng)活動(dòng)是否能夠阻斷這種鳥類形成交互記憶的能力。她利用光線操縱經(jīng)過基因改造后對(duì)一個(gè)大腦回路中的光線照射敏感的細(xì)胞，其中已知這個(gè)大腦回路參與幼鳥歌聲學(xué)習(xí)。

當(dāng)這些年幼草雀與它們的年長(zhǎng)鳥類一起度過時(shí)光時(shí)，Zhao通過往這些鳥類的大腦中照射光線來激活這些經(jīng)過基因改造的細(xì)胞，與此同時(shí)，作為對(duì)照的年幼草雀獨(dú)自一人生活著。隨后，她注意到這些所謂的對(duì)照鳥類發(fā)出的歌聲與眾不同----不僅不同于從未見過年長(zhǎng)鳥類的年幼鳥類發(fā)出的歌聲，而且也不同于與年長(zhǎng)鳥類互動(dòng)的那些年幼鳥類發(fā)出的歌聲。

Roberts說，一旦Zhao和她的同事們聽到了不尋常的歌曲，他們決定“測(cè)試這種神經(jīng)回路中的活動(dòng)是否足以植入記憶”。

這些研究人員用50或300毫秒的光遺傳脈沖連續(xù)五天刺激年幼鳥類的神經(jīng)回路，在這段時(shí)間里，它們通常會(huì)與年長(zhǎng)鳥類互動(dòng)，但沒有成年雄鳥在場(chǎng)。當(dāng)這些年幼鳥類長(zhǎng)大后，它們會(huì)唱與它們接受光照的時(shí)間相一致的成年求偶歌曲。那些接受短脈沖光線照射的年幼鳥類在長(zhǎng)大后唱歌的聲音持續(xù)約50毫秒，而那些接受擴(kuò)展脈沖光線照射的年幼鳥類在長(zhǎng)大后會(huì)保持更長(zhǎng)的音符。

某些歌曲功能（包括音高以及歌曲中和聲音節(jié)的嘈雜程度）似乎并未受到光遺傳學(xué)操作的影響。作為另一個(gè)測(cè)量指標(biāo)，熵（entropy）近似于通信中攜帶的信息量，它在正常接受年長(zhǎng)鳥類輔導(dǎo)的年幼鳥類和那些接受50毫秒光遺傳脈沖照射的年幼鳥類之間是無法區(qū)分的，但是在接受年長(zhǎng)鳥類輔導(dǎo)的年幼鳥類唱的歌曲中的熵要大于獨(dú)自生活的年幼鳥類和那些接受300毫秒光脈沖照射的年幼鳥類唱的歌曲中的熵。

雖然對(duì)這種神經(jīng)回路的操縱影響了草雀歌曲中聲音的持續(xù)時(shí)間，但是其他的唱歌行為要素（包括唱歌出現(xiàn)的時(shí)間表，鳥類練習(xí)的頻率以及它們最終在何種社交場(chǎng)合使用這些歌曲）都類似于那些從成年鳥類學(xué)習(xí)的年幼鳥類。

這些研究人員隨后確定當(dāng)這些年幼鳥類在與唱歌的年長(zhǎng)鳥類互動(dòng)的同時(shí)受到光刺激時(shí)，它們?cè)诔赡陼r(shí)唱的歌曲更像那些僅受到光刺激的年幼鳥類，這表明光遺傳學(xué)刺激可以代替年長(zhǎng)鳥類的輔導(dǎo)。

當(dāng)這些研究人員在年幼鳥類遇到它們的年長(zhǎng)鳥類之前破壞這種神經(jīng)回路時(shí)，它們沒有嘗試模仿成年時(shí)的求偶歌曲。但是如果這些年幼鳥類的這種神經(jīng)回路在遭受破壞之前，它們有機(jī)會(huì)與年長(zhǎng)鳥類互動(dòng)，那么它們?cè)趯W(xué)習(xí)歌曲方面就不會(huì)有問題。這一發(fā)現(xiàn)指出了這種神經(jīng)回路在形成發(fā)聲時(shí)間的初始記憶中起著至關(guān)重要的作用，但在長(zhǎng)期存儲(chǔ)記憶方面卻沒有發(fā)揮作用，因此它可以用來指導(dǎo)歌曲的形成。

Roberts告訴《科學(xué)家》雜志，“我們能夠植入的是有關(guān)鳥類想要嘗試學(xué)習(xí)如何唱歌的音節(jié)持續(xù)時(shí)間的信息。”但他說，鳥類在學(xué)習(xí)歌曲時(shí)還需要注意許多其他的特征，包括音高，以及如何將音節(jié)按正確的順序排列。下一步是確定攜帶其他信息類型的神經(jīng)回路，并研究編碼這些記憶的機(jī)制和它們?cè)诖竽X中的儲(chǔ)存位置。

美國(guó)芝加哥大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家Sarah London（未參加這項(xiàng)新的研究）同意這項(xiàng)研究中使用的策略可以作為模板，用來區(qū)分學(xué)到的歌曲的其他特征從何而來。不過，她說，從更廣泛的意義上講，這項(xiàng)針對(duì)鳴禽開展的研究與我們對(duì)學(xué)習(xí)和記憶理解的更廣闊前景相關(guān)聯(lián)在一起。

她解釋說，歌曲學(xué)習(xí)“是一種復(fù)雜的行為，需要多個(gè)大腦區(qū)域在長(zhǎng)期的發(fā)育過程中協(xié)調(diào)它們的功能。無論如何，大腦在變化，最重要的是大腦的行為也在變化。”她補(bǔ)充說，研究斑胸草雀唱歌的產(chǎn)生可以深入了解“成熟的神經(jīng)回路如何受到環(huán)境的影響”，包括大腦的內(nèi)部環(huán)境和外部社交環(huán)境。“這是一個(gè)真正獨(dú)特的機(jī)會(huì)，不僅是對(duì)歌曲而言，也不僅是對(duì)語(yǔ)言而言，而且對(duì)在更大的背景下的學(xué)習(xí)而言---孩子們?cè)噲D理解并采用適合他們的時(shí)間和地點(diǎn)的行為模式。”

原始出處：

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