蝙蝠可以教给我们关于人类语言进化的知识

人类的语言在动物王国中一直是一个奇怪的现象。只有少数其他动物，包括蝙蝠、鲸鱼、海豹、大象和一些鸟类，如鸣禽或鹦鹉，表现出开始接近人类语言复杂性的发声。

由于很少有哺乳动物的近亲分享gab的天赋 – 研究人员称之为声音学习 – 科学家们一直在努力确定这种非凡技能的神经和遗传基础。

在今天发表在《 科学》杂志上的一篇论文中，由加州大学伯克利分校和卡内基梅隆大学的科学家领导的一个研究小组确定了埃及果蝠控制发声的大脑部分，并发现它包含与人类大脑中控制语音的部分非常相似的神经线路。

然后，研究小组将蝙蝠大脑这一部分的遗传机制与数百种其他哺乳动物的基因组进行了比较，并在机器学习的帮助下，确定了一系列与人类和其他哺乳动物的声音学习高度相关的遗传调控元件。

其中一些遗传因素以前与人类语言障碍有关，包括自闭症谱系障碍。通过了解蝙蝠和其他哺乳动物发声学习的遗传、神经和进化基础，研究人员希望阐明其他类型的言语病理学。

“很少有哺乳动物能够真正学习它们发出的声音，这使得研究人类的这一核心方面变得非常困难，”该研究的共同通讯作者，加州大学伯克利分校生物工程和神经科学副教授Michael Yartsev说。“我们能够确定蝙蝠和人类在大脑结构元素、遗传内容甚至控制声音学习的神经回路方面的相似之处。

大脑的声音“傀儡师”

为了确定与发声学习相关的蝙蝠大脑区域，该研究的共同第一作者Julie E. Elie和Tobias Schmid在加州大学伯克利分校的Yartsev神经蝙蝠实验室工作，使用无线录音设备“监听”一群埃及果蝠的大脑，因为它们自由发声。然后，研究人员使用分子示踪剂来可视化这些神经元如何与蝙蝠大脑的其他区域连接。

追踪实验强调了运动皮层与控制蝙蝠喉部或声匣的神经元之间的直接神经联系。这种直接的神经连接就像一个发声的“傀儡师”，可以让蝙蝠精确控制它们的叫声。

在鸣禽和人类中也观察到类似的联系，但在其他哺乳动物或灵长类动物中没有。

“这个假设是，当你是一个声乐学习者时，你应该有这种联系，”埃利说。“在这项研究之前，科学家们正在比较人类和鸟类，它们在进化树上彼此相距甚远。通过这篇论文，我们现在正在放大哺乳动物，并在蝙蝠的大脑中发现声音学习的类似相关性 – 这些直接投射神经元和与之相关的遗传机制。

该研究的共同第一作者Morgan Wirthlin和共同通讯作者，卡内基梅隆大学计算生物学副教授Andreas Pfenning随后使用一种称为 TACIT 的机器学习方法来分析蝙蝠大脑中与声音产生相关的区域的遗传元素。当他们将这些遗传元素与其他222种哺乳动物（包括发声学习者和非发声学习者）的遗传元素进行比较时，他们确定了50个基因调控元件，这些基因调控元件在发声学习者（包括人类，蝙蝠，鲸鱼和海豹）中高度相关。调控元件是实际基因之外的 DNA 序列，它们指导哪些基因在特定组织中处于活性状态。

“我们发现，在人类和蝙蝠大脑中形成长程连接的细胞类型与我们根据遗传分析发现的与声音学习最相关的细胞类型相同，”Pfenning说。“解剖学和遗传学都指向哺乳动物声音学习进化和人类语音产生的相同机制。

其他合著者包括卡内基梅隆大学的Xiaomeng Zhang、Irene M. Kaplow、Daniel E. Schäffer、Alyssa J. Lawler和Siddharth Annaldasula;加州大学伯克利分校的 Varvara A. Shvareva、Ashley Rakuljic、Maria B. Ji 和 Ninad S. Bhat;加州大学圣地亚哥分校的 Byungkook Lim;索尔克生物科学研究所的艾曼·阿齐姆（Eiman Azim）;利哈伊大学的 Wynn K. Meyer;和 Zoonomia 联盟。

这项研究得到了Alfred P. Sloan基金会（FG-2017-9646），美国国立卫生研究院（NIDA DP1DA046585，R01NS111479，R01 NS121231，DP2 DP2-DC016164），美国国家科学基金会（NSF IOS-2022241，TG-BIO200055），纽约干细胞基金会，脑研究基金会（BRFSG-2017-09），帕卡德基金会（2017-66825），克林格斯坦-西蒙斯奖学金，人类前沿研究计划，皮尤慈善信托基金（00029645）， 麦克奈特基金会（042823）和达纳基金会。

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