歌唱小鼠研究或有助于揭開對話之謎

圖片來源：NYU School of Medicine.

　　如果老鼠拍一部歌劇，阿爾斯通唱歌鼠將成為主角。這種低調的棕色老鼠生活在中美洲的云霧森林，它能將后腿直立起來，發出長長的、復雜的顫音。美國紐約大學醫學院神經學家Michael Long說，每只唱歌鼠的歌聲似乎都是獨一無二的。“我能聽出這首歌，然后說，‘啊，那是Ralph！’”

　　阿爾斯通唱歌鼠不只會唱歌，它還能做許多實驗動物無法做的事情：輪流唱歌。它們會用競爭性的二重唱挑戰競爭者，即唱歌鼠會依次用它們獨特的高聲調快速演唱。

　　而這些連珠炮似的二重唱為研究人員提供了一個研究人類大腦如何控制對話的新模型。“老鼠甚至可以告訴我們，在影響交流的障礙中，哪里出了問題。”Long告訴《中國科學報》。

　　近日，Long及同事開辟了一個新領域：采用一種新的哺乳動物模型，研究聲音轉換亞秒精度背后的大腦機制。相關論文近日刊登于《科學》。研究發現，除了告訴肌肉創造音符的大腦區域外，運動皮層中的獨立回路還能啟動和停止說話，從而在發聲伙伴之間形成對話。

　　“有些人常常因為自閉癥等疾病或中風等創傷性事件無法與同伴交流，如果要設計新的治療方法，我們需要了解大腦是如何利用近100塊肌肉立即產生口頭回應的。”Long說。

　　對話之謎

　　人類的談話有很多動人的部分。為了與他人交談，我們必須聆聽對方的講話，同時思考和組織我們的話語，不停地調整它們，并指導我們的發聲肌肉在適當的社交場合以適當的方式表述出來。然而，人們對有關這種感覺運動轉換的基礎機制所知甚少，而這些轉換令基于說話或聲音交換的社會性互動成為可能。

　　雖然許多動物用聲音進行溝通，但它們中很少會展示模仿人類交談的快速來回的動態交換。Long提到，大多數實驗動物缺乏這種復雜的語言功能。最常見的實驗鼠（小鼠）能發出一種相對混亂和難以預測的叫聲，而且它不太會輪流哼唱。

　　“盡管聲音交流在自然界中無處不在，但在神經科學中，還沒有適合研究的哺乳動物模型。”該研究第一作者、Long實驗室博士后Arkarup Banerjee說。

　　作為神經科學研究的“寵兒”，狨猴雖然能彼此間來回呼喚，但也會在回應前停頓幾秒鐘，這意味著不太可能是由于肌肉對感覺信號（如運動皮層回路）的快速反應。“想象一下兩個人對話，每次交流時都會有5秒鐘的停頓。我想我會瘋掉。”Long說。

　　這就是研究人員對阿爾斯通唱歌鼠感興趣的原因。雖然其獨特歌曲的社會功能尚不完全清楚（這種表演似乎是領土展示的一部分，盡管它可能并不總是對抗性的），但這種小嚙齒動物仍深深吸引了Long。這個物種在神經科學領域相對較新，在實驗室里的待遇有點像歌劇女主角，需要寬敞的培養皿、專門的飲食和鍛煉設備才能茁壯成長。

　　歌聲藏線索

　　阿爾斯通唱歌鼠身上還有一種有趣的變化。當一只雄鼠進入與另一只雄鼠相鄰的房間并聽到鄰居唱歌時，它能精確地計算自己的歌聲時間，以避免與鄰居的歌聲重疊。它會在另一個老鼠唱完后大約半秒開始。（在人類對話中，這種延遲甚至更短——平均約為200毫秒。）研究人員發現，有鄰居的老鼠唱歌的次數是獨處時的4倍。

　　研究人員想知道唱歌鼠的大腦是如何控制這些精心計時的交流的。許多研究表明，動物的叫聲起源于大腦深處、在進化過程中較為古老的部分，即所謂的皮層下結構。但他們想知道，唱歌鼠的運動皮層是否存在一個像管弦樂隊指揮一樣的獨立結構，根據社會線索控制歌曲的開關。

　　“雄性阿爾斯通唱歌鼠能發出將近100個可聽到的音符。它們會像人類一樣交替發聲。我們發現，這些老鼠和人類都需要一個叫作運動皮層的大腦區域進行聲音交流。”Long說。

　　通過追蹤兩只唱歌鼠互歌時腦與肌肉間的電信號，研究人員首先發現了大腦中一個叫作口面部運動皮層（OMC）的區域，當受到刺激時，它會使唱歌鼠與發聲有關的肌肉收縮。當人們在該區域放置冷卻裝置以減緩其神經活動時，老鼠要花更長時間才唱完它的歌。

　　長期以來，冷卻技術是與語言有關的人腦回路研究的先驅。Long提到，這是一種安全的方法，可以在不改變音高、音調或單個音符持續時間的情況下降低發聲速度。

　　研究人員還在運動皮層（即發聲運動皮層）內確認了另一功能性活動“熱點”，它被發現可介導進行快速準確聲音互動所需的感覺運動的迅捷轉化。聲音生成的功能性分隔和層次及定時性能令聲音有效溝通成為可能。

　　“通過將聲音的產生和控制回路分開，進化使唱歌鼠的大腦具備了精密的聲控能力，這種能力在鳥類二重唱，甚至人類交談中都能看到。”Banerjee告訴記者。

　　治療自閉癥的潛在途徑

　　Long還認為唱歌鼠是研究自閉癥的一種潛在方法，自閉癥是一種限制人交流能力的疾病。研究人員可以操縱與自閉癥有關的小鼠OMC區域的基因，觀察它們如何影響大腦活動和行為。Long說，這些歌劇天后“為我們打開了生物學的一片新天地”。

　　德國圖賓根大學生物學家Steffan Hage表示，該研究揭示了聲音交流系統演化的開始可能比先前所認為的要早得多。“小鼠、猴子和人類都有一個系統遺傳保守的初級聲道運動網絡，該網絡能協調發聲過程中涉及的所有運動神經元。在進化過程中，位于額葉的第二個網絡對初級運動網絡的控制越來越強。而這個網絡由對人類語言控制至關重要的皮層結構組成，例如OMC。”Hage說，破譯小鼠的這些運動皮層和聽覺皮層結構之間相互連接的原理是很重要的，能夠使聲音計時快速準確。

　　德國哥廷根大學動物行為學家Julia Fischer表示：“我認為這是一種美妙的方式，他們結合了各種方法。就細節而言，這是一個突破。”

　　霍華德休斯醫學研究所Janelia研究中心神經學家Karel Svoboda說，阿爾斯通唱歌鼠是“一種新的、有趣的潛在交談研究模型，不過，我們需要知道更多”。他指出，這項研究沒有弄清楚OMC是如何影響下腦活動的，也沒有弄清楚那里的回路實際上是如何讓肌肉運動產生歌曲的。

　　人類語言比老鼠的二重唱要復雜得多，但該研究組計劃在人類大腦中尋找與之相對應的運動皮層計時機制。“通過了解幫助兩個大腦參與對話的活動，可以尋找當疾病干擾交流時出錯的過程，這可能會促進許多疾病新療法的開發。”Long說。