芝加哥大学(University of Chicago)的神经科学家进行了一项新的研究，他们利用鸟类的求偶之声，来研究细胞的固有特性与复杂的学习过程之间的关系。
这项发表在《自然通讯》杂志上的研究为我们对大脑的理解增加了一层新的复杂性，同时也为科学家研究人类口吃的动物模型开辟了一条可能的道路。
大多数研究大脑的科学家认为，记忆是通过突触网络或神经元之间形成的连接来存储的。学习的过程中，神经元会形成新的连接，加强或削弱现有的连接，从而赋予大脑所谓的突触可塑性。然而，这项涉及雄性斑胸草雀的研究表明，细胞本身固有的、内置的特性，而不仅仅是它们之间的联系，也在这个过程中起作用。
“我们可以直接从细胞的特性研究动物的行为，”该研究的资深作者丹·马戈利亚什(Dan Margoliash)说。“这表明，推动学习和记忆的不仅是突触的快速变化，还有细胞内在属性的变化。”
雄性斑胸草雀以唱出复杂、准确的歌曲来吸引雌性伴侣而闻名。每一次，它们都试图发出完全相同的音调模式和节拍，在某种程度上，雌性通过雄性歌声的精确性来判断雄性的适合度。但是鸟类并不是生来就会唱歌的;他们必须学习和练习他们的叫声，就像一个年轻的萨克斯手练习音阶和基本旋律一样，然后才能进入约翰·柯川(John Coltrane)的音乐目录。
Margoliash利用这个机会来研究鸟类学习这种复杂行为时大脑的潜在活动。“鸣鸟独自学习是很美妙的，但这不仅仅是关于鸣鸟。这与神经科学有关，”他说。
具有相似内在特性的鸟也有相似的叫声
所有的活细胞都有一个内部的电压，这个电压不同于它们周围环境中的电压。神经元是特殊的，因为它们有所谓的动作电位，或快速改变电流进出细胞的能力。这些动作电位峰值的顺序和时间构成了神经元在网络中传递的信息，因此它们是了解大脑如何学习的重要数据来源。
在新的研究中,Margoliash Arij道尔,一位前博士后学者UChicago现在在贝鲁特美国大学,记录神经元动作电位峰值从斑胸草雀的模式在development-adult鸟充分发展的不同阶段,仍然在学习歌曲模式和青少年。
神经元细胞膜上有各种各样的通道和蛋白质，这些通道和蛋白质以复杂的方式打开和关闭，这取决于有多少电流流入或流出。这一系列的机制包括细胞的固有特性，这些特性可以随着流经细胞膜的电流的大小和强度而改变。
在记录了流经细胞的电流后，马戈利亚什和达乌设计了一种数学方法来比较两种特定鸟类的内在特性有多接近。在一只特定的鸟身上，某一类神经元的内在性质是相似的，但它们在不同的鸟身上是不同的。但是，当研究人员对它们的叫声有多相似进行了类似的计算时，他们得出了一个惊人的结论。
“这是伟大的‘啊哈!”他说。“当我们对鸟类进行计算时，我们发现那些内在属性相近的鸟类也有相似的叫声。”
这种关系也适用于不同的鸟类配对。由同一父母抚养长大的成年鸟类，它们的叫声相似，细胞特性也相同。但是还没有完全学会唱歌的幼鸟到处都是。幼鸟的细胞特性和它们的鸣叫之间没有明显的联系，不管它们之间是如何联系的。
与人类口吃有关
研究人员还展示了细胞的固有特性是如何随着歌曲模式的改变而改变的。使用一种记录鸟类叫声的设备，并在稍微延迟的情况下回放，使得鸟类改变了它们的叫声模式，其方式类似于人类的口吃。他们立即陷入了试图开始唱歌。最终，这些鸟会被固定在特定的音符上，或者重复它们在自然环境中不会产生的模式。
有趣的是，同样的方法也会导致人们口吃。如果说话者听到自己声音的轻微延迟，就会使他们在单词和重复音节上出错。但是对于很多口吃的人来说，听到延迟的进食可以帮助减少口吃。
在听过这种导致口吃的延迟反馈后的几个小时内，这些鸟的神经元的固有特性也发生了变化，这表明它们的唱歌行为发生了变化。Margoliash说，这是口吃生物学机制的证据，考虑到行为上的相似性，它也可以为人类提供一个有用的模型。
“口吃确实有一些重要的认知成分是我们还没有机会研究的，我们还没有机会看到鸟叫模型有多有用，”他说，“但在最基本的层面上，我们可以精确地研究这种行为的神经基础。”拥有口吃的动物模型可能是一个重大突破。”
引文:“本征神经元特性代表斑胸草雀声音学习中的鸣声和错误”，《自然通讯》，2020年2月19日。DOI: https://doi.org/10.1038/s41467 – 020 – 14738 – 7
资助:美国国立卫生研究院、美国国防部和芝加哥大学的伟大思想产生者
-文章首次发表在芝加哥大学医学网站。