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一只会唱歌的小鼠,何以登上Science的封面?

一只会唱歌的小鼠,何以登上Science的封面?

Photo by My Name on Unsplash,本文来自微信公众号:原理(principia1687),作者:二宗主。


啮齿类的“歌王”


如果啮齿类动物要表演一出歌剧,那么褐鼷鼠(Scotinomys teguina)一定能成为歌剧的主角。这种小鼠原产于中美洲的云雾森林。它们在歌唱时会抬起前腿用后腿直立,发出尖细、悠长、复杂的颤音。在这出歌剧中,每一只小鼠的表演都是独一无二的,仿佛它们都有属于自己的歌。


○ 3月1日的《科学》(Science)封面。| 图片来源:Science


纽约大学医学院的神经科学家Michael Long和他实验室里的同事们发现,这种会唱歌的褐鼷鼠可以做出许多实验室动物无法做到的行为——它们可以“一唱一和”地轮流歌唱,宛如人类在交谈时一样。


小鼠间的这种“歌曲对唱”为科学家研究大脑如何控制对话提供了一个新的模型,它让我们对人类的交流产生新的认识。Long与他的同事们找到了负责这种行为的精确大脑回路,并将研究结果发表在了最近的《科学》期刊上。


复杂的对话


Long专门研究声音交流,这是一种大多数人类都极为熟悉也极为擅长的交流方式。但这种交流实则有着非常复杂的大脑机制,即使是简单的对话,也需要复杂的神经处理过程。一般从一个人说话结束到另一个人接话之间会停顿200毫秒。但是在人群中,有一部分人却会遭遇不同形式的沟通障碍,这些遭遇可能是由中风或自闭症等发育障碍导致的。


由于人类大脑太过于复杂,因此我们很难直接在人体进行研究。有些动物也会进行这种“轮流”式的交谈,例如青蛙、宽吻海豚、蟋蟀和一些灵长类动物。这是一种快速的反应,需要一系列复杂的感觉和运动动作,而这些动作很难描述。


大多数实验室动物都缺乏这种语言复杂性。最常见的实验鼠(Mus musculus)虽然可以发出一种相对混乱和难以预测的叫声,但它们没有任何有意义的声音协调能力,不会出现轮流哼唱的情况。


在神经科学的研究中,狨猴是一种颇受欢迎的实验对象,因为它们就是一种能进行“对答”的灵长类动物。但它们在不同的反应之间会停顿几秒钟,这意味着它们的神经机制与驱动人类在快速对答时的反应机制是不一样的。


实验室的“宠儿”


在一次与生物学家Steve Phelps的交流中,Long得知了这种会唱歌的老鼠。它们的声音很像是在对答而不是“独唱”,而且音量很大,这在老鼠身上是不常见的。一般来说,典型的实验室小鼠会偶尔发出超声波,但这只是一种随机的喘息声。而唱歌的小鼠显然在进行有目的的对话,虽然尚不完全明确不同“歌曲”有着怎么样的社会功能,但他们猜测这或许是一种宣示领地的方式。


他们将一些会唱歌的小鼠带回实验室。与普通实验室的小鼠相比,这些远道而来的小鼠宛如大明星:它们有着更豪华的住宿——更宽敞的笼子;更好的运动设备——以防止它们发胖;以及专门准备的特殊饮食——粉虱和昆虫。这样,小鼠就能在舒适的环境下茁壮成长,“唱”出属于小鼠的心声。


在观察过程中,研究人员发现当一只装有小鼠的笼子被放在另一只装有小鼠的笼子旁边时,小鼠就会对自己的歌声进行精确地计时,以免自己的歌声与邻居重叠。一般来说,小鼠会在另一只小鼠唱完的半秒后才开始自己的歌唱。他们还发现,有邻居的小鼠唱歌的次数是独处时的四倍。


○ 两只小鼠相互轮流对唱,图中显示的是在实验中观察到的波形示意图的例子。| 图片来源:Long Lab


他们仔细记录了这种歌唱行为,发现这些老鼠不仅会轮流歌唱,而且每只老鼠的歌声也随着另一只老鼠的歌声而略微变化。


 “演奏者”与“指挥者”


研究人员想知道小鼠的大脑是如何控制这些精心计时过的交流的。首先要弄清楚的就是大脑的哪些部分参与了这种行为。他们使用一种名为肌电图的技术,对大脑皮层的不同部分进行刺激,同时记录下声带肌肉的活动。


就这样,他们首先注意到了在大脑前部的一个名为口面部运动皮层(OMC)的运动区域,当受到刺激时,它会使小鼠的声带肌肉收缩。在OMC中,除了有“告诉”肌肉运动的区域之外,还存在让小鼠获得轮流交谈能力的其他回路存在。


因此,研究人员认为小鼠将这个复杂的问题分成了两部分:在大脑中,有一个部分负责创作歌曲;还有部分对声音协调非常重要,那就是OMC。


为了验证这种猜测,Long及其同事采用了聚焦冷却(focal cooling)技术来研究小鼠的歌唱行为:他们冷却了作为歌曲协调中心的OMC区域,以减缓其神经活动。当这样做时,这些小鼠仍然可以歌唱,但它们需要更长的时间才能完成歌唱。


在另一项测试中,当科学家给小鼠服用一种能暂时性地完全关闭OMC的药物时,小鼠们仍然可以唱歌,但是不再能与其他小鼠进行轮流演唱了。


这有力地证明了“歌曲”本身是被储存在不同地方的,而OMC只对这些“歌曲”起到调控管理作用。换句话说,在小鼠的大脑中,有一个负责创作和演奏歌曲的部分,还有一个更高级的“指挥家”负责协调歌曲。


拥抱更多的可能性


这项研究具有非常重大的意义:它第一次展示了在哺乳动物的大脑中,协调发声的神经机制。并且通过这项研究,科学家预测出人类大脑中可能也存在类似的声音协调中心。因此这些会唱歌的小老鼠或许还可用于研究由中风或自闭症导致的沟通障碍。


尽管这是一项重大突破,可我们需要知道的还有更多。目前,科学家还没有弄清楚OMC是如何影响下脑的活动的,也没有弄清楚那里的脑回路究竟是如何让肌肉运动从而产生歌曲的。


接下来,Long打算在互动的环境中去研究人类的大脑。人类的语言比小鼠的对唱要复杂得多,他们想在人类大脑中寻找相应的运动皮层计时机制。目前,Long的实验室正在为人类受试者设计实验,他们想要记录人在谈话时的大脑活动。这有别于简单地要求受试者重复一个音节或一串单词,受试者谈论的话题可以只是关于今天的午餐,然后来来回回地进行交谈,再观察他们的大脑是如何创造这种对话的。


在过去的几十年里,科学研究主要将实验室小鼠作为研究对象。Long认为,过度使用同一种动物是种危险的做法。他呼吁在接下来的几年里,人们或许可以重新拥抱更广阔的生物世界,哪怕这意味着存在一定风险。


参考链接:


[1] http://science.sciencemag.org/content/363/6430/983

[2] https://www.sciencemag.org/news/2019/02/singing-mouse-s-brain-could-reveal-keys-snappy-conversation

[3] https://arstechnica.com/science/2019/02/singing-mice-could-offer-clues-about-how-human-brains-manage-conversation/

[4] http://discovermagazine.com/authors


本文来自微信公众号:原理(principia1687),作者:二宗主。

*文章为作者独立观点,不代表虎嗅网立场
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