李東風(fēng)， 馮 理， 劉少藝， 張 萌

(華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510631)

界面核和高級發(fā)聲中樞與鳴禽鳴曲的學(xué)習(xí)和維持

李東風(fēng)*， 馮 理**， 劉少藝， 張 萌

(華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510631)

鳴禽鳴唱和人類語言都是經(jīng)過后天學(xué)習(xí)而獲得的.幼鳥在學(xué)習(xí)鳴唱時先記住教習(xí)曲模板，再通過發(fā)聲反饋比較自鳴曲和模板并調(diào)整發(fā)聲輸出，成年后同樣需要聽覺反饋來維持自鳴曲的特征和穩(wěn)定.因此，鳴禽聽覺系統(tǒng)和運動系統(tǒng)對刺激的感覺運動整合非常重要.近年研究發(fā)現(xiàn)，感覺期幼鳥編碼并記憶模板的過程需要NIf-HVC投射的參與；這一突觸聯(lián)系與維持成年鳴禽可塑性鳴曲空間特征和鳴曲節(jié)律至關(guān)重要.其中，NMDAR、AchR和NE可能參與調(diào)節(jié)NIf-HVC突觸的效能.HVC類似于人類的Broca’s Area，而NIf類似于人類的Spt區(qū),因此研究NIf-HVC突觸在神經(jīng)環(huán)路中的作用有助于揭示人類這2個腦區(qū)在語言形成中潛在的功能，有利于探索發(fā)聲過程相關(guān)的感覺運動信息整合的機制.

鳴唱學(xué)習(xí); 聽覺反饋; NIf; HVC; 感覺運動信息整合

與人類語言相似，鳴禽鳴唱是一種復(fù)雜的習(xí)得性行為，通過教習(xí)完成.在發(fā)育期，鳴禽幼鳥通過聽覺反饋(auditory feedback)評價并調(diào)整發(fā)聲輸出的運動模式，練習(xí)自鳴曲(Birds own songs, BOS)以匹配感覺期記住的教習(xí)曲模板(template)[1].成年后，雄鳥仍需要聽覺反饋維持定型鳴曲(crystallized song)空間和時間的結(jié)構(gòu)特征.有人認為鳴曲維持是鳴曲學(xué)習(xí)的延伸[2]，因為這2個階段都是通過聽覺反饋使BOS匹配于內(nèi)化的鳴曲模板.所以鳴禽是一種研究感覺運動信息整合機制的重要模型，這種機制與人類的語言學(xué)習(xí)密切相關(guān).

鳴唱的學(xué)習(xí)和維持依賴于鳴唱系統(tǒng)(song system)和聽覺系統(tǒng)(auditory system)的活動.鳴禽鳴曲的產(chǎn)生由一些感覺運動核團所控制，這些核團稱為鳴唱系統(tǒng).有2條主要的通路：發(fā)聲運動通路(vocal motor pathway, VMP)和前端腦通路(anterior forebrain pathway, AFP).發(fā)聲運動通路起源于高級發(fā)聲中樞(high vocal center, HVC)，投射至前運動核團弓狀皮質(zhì)櫟核(robust nucleus of the arcopallium, RA), 換元后再投射至腦干的呼吸和發(fā)聲運動核團.前端腦通路也由HVC發(fā)出，由基底核-丘腦-皮質(zhì)環(huán)路組成，與HVC-RA匯合.發(fā)聲運動通路主要負責(zé)鳴曲的產(chǎn)生，前端腦通路與幼鳥鳴唱的感覺運動學(xué)習(xí)以及成鳥鳴曲的可塑性相關(guān)[3].鳴禽中的聽覺系統(tǒng)主要包括與哺乳類聽皮質(zhì)同源的L區(qū)(Field L complex，F(xiàn)ield L)、巢狀皮質(zhì)尾內(nèi)側(cè)區(qū)(caudomedial nidopallium, NCM,相當(dāng)于人腦Wernicke’s Area)和舊皮質(zhì)尾部(caudal mesopallium, CM)等結(jié)構(gòu)[4].鳴唱系統(tǒng)和聽覺系統(tǒng)之間的聯(lián)系相對有限，大多數(shù)聽覺核團投射至HVC周圍的HVC殼(HVC shelf)和RA周圍的杯區(qū)(RA cup)，只有界面核(Nucleus Interfacialis nidopallii, NIf)能把來自丘腦葡萄形核 (uvaeformis, Uva)的聽覺和感覺信息直接上傳至HVC(圖1).因此，NIf-HVC突觸聯(lián)系是聽覺信息直接傳遞至HVC的最主要來源，其功能研究成為熱點.有研究表明，NIf可明顯影響HVC自身的神經(jīng)活動[5]，是正常鳴唱產(chǎn)生所必需的，同時NIf-HVC投射與幼鳥模板記憶和成鳥鳴曲維持有關(guān)，表明該突觸聯(lián)系在鳴禽鳴唱中發(fā)揮重要作用.了解NIf-HVC的功能有助于探討鳴唱系統(tǒng)和聽覺系統(tǒng)對信息的整合作用.

傳統(tǒng)觀點認為，鳴禽感覺期模板形成和儲存的位點可能是某個聽覺核團或整個聽覺通路.CLAYTON等[6]檢測20～30 d斑胸草雀NCM中與長時記憶相關(guān)的Zenk蛋白表達，與感覺模板獲得的時期相一致，推測NCM可能是模板儲存的位點.HELEKAR等[7]也有相同的結(jié)論，同時發(fā)現(xiàn)NCM對教習(xí)曲聽覺刺激有特異性反應(yīng).而BOLHUIS等[8-9]認為鳴禽和鸚鵡NCM和舊皮層尾中部區(qū)(caudomedial mesopallium, CMM)參與處理有關(guān)鳴曲的感覺信息，這2個核團可能是模板記憶的存儲位點，而且成年斑胸草雀NCM是否激活和鳴唱學(xué)習(xí)的質(zhì)量相關(guān).

圖1 鳴禽的鳴唱通路和聽覺通路[10]

1 運動核團HVC參與教習(xí)曲模板記憶

近期研究發(fā)現(xiàn)，HVC的功能可受到聽覺信息的影響.樹突棘是脊椎動物腦中興奮性突觸傳遞的主要位點，突觸效能的增強伴隨樹突棘穩(wěn)定性、數(shù)目和直徑等形態(tài)的變化.2010年，MOONEY等[11]將雄性斑胸草雀幼鳥從孵化后就一直隔離于親鳥教習(xí)曲直至感覺運動學(xué)習(xí)期，然后使用掃描雙光子顯微鏡(Scanning Two-Photon Microscope)觀察這些隔離的幼鳥首次教習(xí)前后HVC投射神經(jīng)元樹突棘形態(tài)的變化，發(fā)現(xiàn)教習(xí)經(jīng)歷中的聽覺信息可迅速穩(wěn)定high-turnover組(HT組，turnover=100 (Nspine gained+Nspine loss)/2Nspine total)幼鳥中HVC樹突棘，使其密度增加、體積增大.同時電生理研究表明，教習(xí)后HVC的自發(fā)突觸活動增強.相反，手術(shù)摘除成年雄鳥雙側(cè)耳蝸后，發(fā)現(xiàn)致聾后HVC投射至X區(qū)的神經(jīng)元(HVCX)樹突棘直徑變小，同時樹突棘形態(tài)不穩(wěn)定，這不利于突觸之間信息的傳遞.對HVCX神經(jīng)元進行全細胞膜片鉗記錄表明，雖然致聾后HVCX神經(jīng)元自發(fā)的去極化突觸后電位(spontaneous depolarizing postsynaptic potentials, dPSPs)和自發(fā)動作電位的平均頻率沒有顯著影響，但dPSPs的幅度降低，同時峰間距(inter-spike intervals, ISIs)時程縮短，表明聽覺隔離可降低HVCX神經(jīng)元自發(fā)突觸活動的幅度，選擇性弱化HVC支配AFP中的突觸，而此環(huán)路是聽覺依賴的發(fā)聲可塑性所必需的.行為學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，致聾降低了鳴曲的熵值，表明鳴曲退化[12].因此，聽覺信息(教習(xí)曲刺激或聽覺隔離)可以誘導(dǎo)HVC結(jié)構(gòu)和功能的變化，從而改變HVC傳遞至下游核團的信息，最終影響鳴曲的特征.這暗示HVC可能參與對聽覺信息的處理和加工過程.那么，作為聽覺信息與鳴唱運動信息整合的主要位點，HVC在幼鳥感覺期，即模板的形成時期中是否發(fā)揮重要作用呢？HVC是否對教習(xí)曲有特異性反應(yīng)并參與編碼記憶模板呢？

研究者以往只關(guān)注HVC對親鳥教習(xí)曲聽覺刺激的反應(yīng)，然而幼年斑胸草雀在教習(xí)期間不僅能聽到教習(xí)曲，還會聽到BOS或其它聲音.如果單純用藥物阻斷HVC活動，則不清楚獲得的實驗結(jié)果是由于發(fā)聲運動通路的變化引起還是對教習(xí)曲或自鳴曲等聽覺反應(yīng)所引起.為了檢測HVC是否參與編碼教習(xí)曲模板，MOONEY等[13]采用光遺傳技術(shù)(optogenetics technology)對HVC核團進行精確調(diào)控，先將一種對光敏感的陽離子通道蛋白(human channelrhodopsin-2, hChR2)轉(zhuǎn)染至HVC，利用不同頻率的光抑制HVC核團中光敏感蛋白的活性，從而實現(xiàn)控制HVC的活動.這種技術(shù)能準確可靠地控制毫秒級別的神經(jīng)活動，調(diào)節(jié)興奮性和抑制性突觸傳遞，具有空間上的特異性和時間上的精確性[14].在幼鳥聽到教習(xí)曲時給特定頻率的光刺激抑制幼鳥HVC的活動，而不在其它時間干擾HVC功能.幼鳥只在實驗期間才接觸到教習(xí)曲，實驗結(jié)束后隔離處理，直至幼鳥成年(>90 d).檢測成年后鳴曲與教習(xí)曲的相似度發(fā)現(xiàn)，實驗組教習(xí)過程中抑制HVC的幼鳥，成年后的鳴曲與教習(xí)曲差異明顯，而與從未教習(xí)過的隔離組幼鳥成年后鳴曲的相似性水平相當(dāng)(圖2A).此實驗說明，HVC受到干擾的幼鳥沒有記住鳴唱模板，表明HVC在感覺期參與教習(xí)曲模板的編碼.

為了更加精確地證明HVC參與感覺期模板的編碼，MOONEY等[13]改進了實驗，將幼鳥 (感覺期，43～53 d)雙側(cè)HVC植入微電極，教習(xí)期間軟件識別某個特定音節(jié)(syllable c)出現(xiàn)時觸發(fā)電刺激抑制HVC的活動，實驗結(jié)束后再將幼鳥隔離處理，檢測幼鳥成年后鳴曲c音節(jié)與教習(xí)曲c音節(jié)的相似程度.這些微刺激干擾的鳥無法復(fù)制教習(xí)曲中的音節(jié)c，但是可準確學(xué)會前一個和后一個音節(jié)(圖2B).與光遺傳學(xué)實驗結(jié)果相一致，這些幼鳥在教習(xí)時因為HVC的活動受到干擾沒有記住這些音節(jié)或鳴曲，推測可能是由于感覺期相應(yīng)模板的編碼受到影響，因此推測運動核團HVC參與編碼教習(xí)曲的聽覺信息，是幼鳥模板形成過程中所必需的.

(A)使用光遺傳學(xué)技術(shù)干擾感覺期教習(xí)中的幼鳥HVC活動可影響幼鳥對教習(xí)曲的復(fù)制.灰色為實驗組；黑色表示對照組；灰色填充菱形代表一直從未受到教習(xí)的隔離組幼鳥；黑色填充菱形代表教習(xí)時一直沒有接觸到光遺傳學(xué)實驗中教習(xí)者的幼鳥，以排除社會情景對實驗的影響. (B)在鳴曲中特定音節(jié)c出現(xiàn)時微刺激抑制HVC活動的幼鳥成年后無法復(fù)制音節(jié)c.

圖2 干擾感覺期教習(xí)時，幼鳥HVC的神經(jīng)活動可影響鳴曲的復(fù)制[13]

Figure 2 Disruption of neural activity in the pupil’s HVC during tutoring impairs copying[13]

2 NIf-HVC突觸聯(lián)系與教習(xí)曲模板的形成

NIf是輸入至HVC的主要聽覺核團.為了驗證NIf在感覺期是否影響幼鳥模板的編碼，MOONEY等[13]在首次教習(xí)前，將斑胸草雀隔離至36～47 d，損傷雙側(cè)NIf核團，教習(xí)結(jié)束后再隔離至成年(>90 d),比較幼鳥自鳴曲和教習(xí)曲的相似度.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，損傷NIf可嚴重影響幼鳥對教習(xí)曲的模仿，同時NIf的損傷程度與自鳴曲和教習(xí)曲的相似度成反比.這暗示幼鳥感覺期教習(xí)曲的聽覺信息可能通過NIf傳入HVC.為了檢測NIf損傷對教習(xí)曲記憶的影響，每天上午教習(xí)前向NIf注入河豚毒素(TTX)可逆性抑制NIf，教習(xí)后注入生理鹽水，結(jié)果發(fā)現(xiàn)幼鳥鳴曲與教習(xí)曲的相似性下降，與對照組(教習(xí)前注入生理鹽水，教習(xí)后注入TTX)呈極顯著性差異，表明NIf失活嚴重干擾幼鳥對教習(xí)曲的記憶.這些發(fā)現(xiàn)表明，感覺期NIf輸入至HVC的信息是編碼教習(xí)曲模板所必不可少的.除了NIf外，聽覺核團Field L可投射至HVC外圍的HVC shelf[15].同樣在教習(xí)前向幼鳥Field L注入TTX，發(fā)現(xiàn)這些抑制L區(qū)的幼鳥自鳴曲與教習(xí)曲仍有很高的相似性，與對照組(教習(xí)后注入TTX)無顯著性差異，說明感覺期間聽覺信息可能不是經(jīng)過Field L輸入鳴唱系統(tǒng).這些實驗表明了NIf-HVC突觸聯(lián)系在感覺期參與整合教習(xí)曲的記憶以及模板編碼過程，暗示模板的形成可能是聽覺系統(tǒng)和鳴唱系統(tǒng)對聽覺信息共同整合、加工和編碼的結(jié)果.

關(guān)于鳴禽幼鳥在感覺期對模板的編碼有2種假說.傳統(tǒng)觀點認為，教習(xí)曲聽覺信息的編碼只限于聽覺環(huán)路，當(dāng)幼鳥進行發(fā)聲練習(xí)時，聽覺系統(tǒng)將模板信息提取出來并傳遞至HVC，然后根據(jù)聽覺反饋評價BOS的質(zhì)量，通過AFP對BOS進行調(diào)整.而MOONEY[13]認為聽覺模板的記憶很可能是聽覺系統(tǒng)和鳴唱運動系統(tǒng)共同處理整合的結(jié)果，但是模板編碼或儲存的位點還不確定，可能2個系統(tǒng)同時參與模板的編碼.傳統(tǒng)意義上的模板只是聽覺系統(tǒng)和發(fā)聲運動通路對同一教習(xí)曲聽覺信息共同編碼整合后固定下來的一種神經(jīng)發(fā)放模式.還有一種可能是聽覺信息通過聽覺系統(tǒng)傳遞至HVC，通過對聽覺信息的加工再編碼后才能儲存到聽覺通路，即運動系統(tǒng)起到了對聽覺信息的篩選和門控(Gating)作用.

前文提到，HVC神經(jīng)元的樹突棘形態(tài)在首次教習(xí)前后會發(fā)生變化.在鼠的研究中，認為樹突棘的形態(tài)變化與突觸后N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-Methyl-D-Aspartate Receptor, NMDAR)的活動有關(guān)[16].為了檢測鳴禽幼鳥HVC樹突棘在教習(xí)后增大是否依賴于NMDAR，MOONEY等[13]在幼鳥每天教習(xí)前向HVC注入NMDAR阻斷劑APV，通過雙光子成像技術(shù)觀察每次教習(xí)后HVC神經(jīng)元樹突棘形態(tài)是否發(fā)生變化.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，注入APV的教習(xí)組中HVC樹突棘形態(tài)與教習(xí)前相比沒有顯著性變化，表明幼鳥感覺期教習(xí)曲聽覺信息誘發(fā)的HVC樹突棘的形態(tài)變化同樣依賴于NMDAR，暗示HVC參與教習(xí)曲聽覺信息的處理和模板的形成可能與NMDAR活動有關(guān)，推測如果阻斷感覺期幼鳥HVC中NMDAR可能影響幼鳥對教習(xí)曲的記憶，而這一觀點也在后續(xù)的實驗中得到證實.每次教習(xí)前將APV注入隔離至感覺期的幼鳥(43～53 d)HVC，教習(xí)后注入生理鹽水，實驗連續(xù)5 d，結(jié)束后隔離直至成年.與對照組(教習(xí)前注入生理鹽水且教習(xí)后注入APV)相比，實驗組APV處理過的幼鳥成年后和教習(xí)曲的相似性降低.這些實驗說明NIf-HVC在編碼教習(xí)曲聽覺記憶的過程與突觸后NMDAR的活動相關(guān).這一結(jié)論與之前在鼠中的研究是一致的[16]，NMDAR參與介導(dǎo)突觸可塑性，突觸這種效能強弱的變化與動物的記憶有關(guān).

NIf-HVC聯(lián)系還可能受到去甲腎上腺素(noradrenaline，NE)的調(diào)節(jié).已有實驗表明，NE可影響鳴禽幼鳥NCM對教習(xí)曲的記憶和幼年家雞視覺的銘記(imprinting)[17].免疫組織化學(xué)實驗證明，NIf有酪氨酸羥化酶(TH)的表達，暗示NIf可能接受兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié).SCHMIDT等將NE注入NIf后發(fā)現(xiàn)，NE對NIf和同側(cè)HVC的自發(fā)活動和聽覺反應(yīng)有非常復(fù)雜的影響[18]，出現(xiàn)一種門控現(xiàn)象[19].將低濃度NE(0.5 mmol/L或1 mmol/L)注入NIf可降低同側(cè)HVC自發(fā)和誘發(fā)活動，但增強HVC對BOS的聽覺反應(yīng).HVC這種對BOS的聽覺反應(yīng)只有實驗動物被注入低劑量的安定(diazepam)后出現(xiàn)的鎮(zhèn)靜狀態(tài)時才能檢測到[20]，現(xiàn)在認為鎮(zhèn)靜狀態(tài)下的聽覺反應(yīng)與鳴禽發(fā)聲學(xué)習(xí)有關(guān).相反，高濃度(5 mmol/L) NE可抑制NIf和HVC的活動，同時抑制對BOS的聽覺反應(yīng)，向NIF注入8 mmol/L NE則完全觀察不到同側(cè)HVC對BOS的聽覺反應(yīng).由此可見，NE參與調(diào)節(jié)NIf-HVC突觸的效能，但這種門控對鳴禽鳴唱時NIf-HVC突觸的影響以及在幼鳥感覺期時的作用還不清楚，需要進一步探討NE對NIf-HVC突觸的影響是否與感覺期幼鳥編碼記憶聽覺模板相關(guān).

3 NIF-HVC與成鳥鳴曲的產(chǎn)生和維持

NIf接受來自CM，Uva的軀體感覺、視覺和聽覺等方面信息，再傳遞至HVC.因此，NIf輸入至鳴唱系統(tǒng)的信息是比較復(fù)雜的，在鳴禽鳴曲的產(chǎn)生和維持中有著極其重要的作用.

NIf可驅(qū)動HVC神經(jīng)元的自發(fā)興奮性活動[21].在體記錄麻醉狀態(tài)下鳴禽NIf和HVC細胞內(nèi)活動表明，NIf的自發(fā)放領(lǐng)先于HVC (HVC神經(jīng)元可分為3類：投射至RA的神經(jīng)元HVCRA、中間神經(jīng)元HVCINT和投射至X區(qū)的神經(jīng)元HVCX)的興奮性突觸后電位(EPSPs)，抑制或損毀NIf活動明顯減弱了HVC對聽覺刺激的反應(yīng)并降低HVC神經(jīng)元的自發(fā)放.將GABAA受體激動劑蠅蕈醇(muscimol)或Na+通道阻斷劑利多卡因(lidocaine)注入到NIf后可引起HVC短暫的無發(fā)放現(xiàn)象，但HVCINT在NIf抑制后仍有發(fā)放.抑制CM可引起HVC對聽覺刺激反應(yīng)的消失，表明HVC也接受來自CM的聽覺輸入，尤其是CM中的Av核團[5].Av、NIf和HVC這3個核團形成了環(huán)路(圖3)，使聽覺系統(tǒng)和鳴唱運動系統(tǒng)相互聯(lián)系，成為感覺系統(tǒng)和運動系統(tǒng)相互影響的神經(jīng)解剖基礎(chǔ)之一.這一環(huán)路與鳴曲學(xué)習(xí)和產(chǎn)生相關(guān)[13，22].

圖3 Uva和Av-NIf-HVC感覺運動環(huán)路之間的聯(lián)系[23]

在睡眠或安靜狀態(tài)下，NIf可驅(qū)動HVC和RA的發(fā)放[23].在體電生理多單位記錄(multi-recording)表明，NIf、HVC和RA三個核團的發(fā)放活動是相似的.與聲譜學(xué)的研究相結(jié)合，表明NIf活動提前于鳴曲的輸出并持續(xù)到整首鳴曲結(jié)束，同時在音節(jié)產(chǎn)生之前很短的時間內(nèi).整個音節(jié)活動強度最強，在音節(jié)間隔最弱.NIf和HVC都接受Uva的投射，Uva核團中有2種投射神經(jīng)元：投射至NIf的UvaNIf和HVC的UvaHVC.睡眠中，UvaHVC神經(jīng)元抑制HVCINT和RA活動，抑制RA對BOS的聽覺反應(yīng)，如果藥物抑制Uva則提高HVCInt和RA神經(jīng)元發(fā)放活動以及RA對BOS聽覺反應(yīng)，表明Uva可直接影響鳴唱運動通路的活動.而UvaNIf神經(jīng)元通過NIf間接將興奮性信息輸入至HVCInt，UvaNIf電位發(fā)放先于HVCInt，抑制NIf則完全觀察不到HVCInt的活動，表明Uva間接輸入至HVC的信息受到NIf的調(diào)節(jié)，NIf可能增強UvaNIf的輸入.因此，睡眠中NIf通過調(diào)節(jié)Uva輸入至HVC的興奮性投射，影響發(fā)聲運動通路HVC和RA的活動.但這種調(diào)節(jié)活動受到實驗動物行為狀態(tài)的影響，如接受少量安定注射后的斑胸草雀受到感覺刺激而喚醒后，UvaHVC活動增強，RA不產(chǎn)生電位的發(fā)放[23].此時NIf和HVC對BOS的聽覺反應(yīng)也被抑制，SCHMIDT[17]認為感覺刺激可能使NE釋放，抑制了HVC的聽覺反應(yīng).為了證明此觀點，將NE受體的阻斷劑注入NIf后仍使用同樣的刺激，在HVC則可記錄到對BOS的聽覺反應(yīng)，表明NIf對運動通路的調(diào)節(jié)可受到NE的影響.這些實驗在一定程度上揭示了感覺通路對運動通路信息輸出的影響，說明感覺運動整合過程的復(fù)雜性和多元化.

在睡眠或麻醉狀態(tài)下的鳴禽，對NIf和HVC進行在體電生理記錄發(fā)現(xiàn)，這2個核團對BOS或其它聽覺刺激有特異的反應(yīng).作為NIf的上級輸入核團，CM中有些神經(jīng)元對BOS有特異的聽覺反應(yīng)，但有些神經(jīng)元卻無此現(xiàn)象，這暗示對BOS強烈的特異性反應(yīng)是NIf核團加工整合的結(jié)果.NIf對BOS或相似的鳴曲，如逆序自鳴曲(REV)和同種鳴曲都有聽覺反應(yīng)，但HVC僅對BOS有特異的聽覺反應(yīng)，而對非自鳴曲則無電位發(fā)放，暗示HVC對BOS的特異性反應(yīng)也是HVC對輸入信息進行再加工的結(jié)果.在清醒鳥，NIf和HVC對BOS的聽覺反應(yīng)弱于睡眠或麻醉狀態(tài)的鳥，但鳴唱時沒有觀察到2個核團的聽覺反應(yīng)，說明NIf-HVC的聽覺敏感性在鳴唱時被調(diào)控抑制，這種調(diào)控抑制可能發(fā)生在HVC，也可能是NIf的功能受到抑制.MARGOLIASH等[24]研究發(fā)現(xiàn)，阻斷HVC中mAchR可抑制HVC和RA對聽覺刺激的活動，但阻斷nAChR只對HVC的反應(yīng)有強烈的影響，對RA的聽覺反應(yīng)很弱甚至沒有影響.提示HVC的聽覺反應(yīng)與AchR的作用相關(guān).HAHNLOSER等[25]認為HVC直接受到Uva活動的影響.SCHMIDT[18]認為可能是NIf功能受到NE的調(diào)節(jié)而影響聽覺反應(yīng)，將α1受體和α2受體阻斷劑注入NIf，即在沒有NE發(fā)揮作用時，HVC和NIf的聽覺反應(yīng)完全被抑制.也有人認為聽覺敏感性受到干擾也可能與Field L和CM功能變化有關(guān)[26].

在清醒狀態(tài)下，NIf-HVC聯(lián)系對鳴曲的維持也很重要.HAHNLOSER等[23]利用藥物分別抑制不同年齡斑胸草雀(36～50 d(亞鳴曲)、51～83 d(可塑性鳴曲)和>100 d(定型鳴曲))的 NIf核團，發(fā)現(xiàn)NIf失活對亞鳴曲沒有顯著性影響，但是對可塑性鳴曲具有復(fù)雜的影響，引起可塑性鳴曲空間特征和鳴曲節(jié)律等方面的退化，趨向亞鳴曲，與損毀幼鳥HVC的結(jié)果一致，即沒有改變亞鳴曲特征但引起可塑性鳴曲退化至亞鳴曲狀態(tài)[27].由于NIf位于HVC上游并驅(qū)動其活動，這些實驗結(jié)果表明，NIf不但是幼鳥記憶編碼教習(xí)曲模板所必需的，也是幼鳥發(fā)聲練習(xí)過程中必不可少的.損毀成鳥NIf引起音節(jié)順序的變化，即中間motif出現(xiàn)的概率增大、偶然的音節(jié)丟失或諧波的去穩(wěn)定化，但沒有發(fā)現(xiàn)定型鳴曲特征的退化[28]，這一結(jié)論與損毀成鳥HVC的結(jié)果不同，損毀成鳥HVC引起定型鳴曲退化至亞鳴曲時期[27].MOONEY等[29]的實驗也證明損毀成年斑胸草雀NIf對鳴唱沒有永久性損傷，對發(fā)聲反饋也沒有影響.鳴曲音節(jié)順序的變化表明，NIf的興奮性輸入可能有助于固定HVC的發(fā)放特性，在成年斑胸草雀中，NIf功能缺失可能很快得到彌補，因此鳴曲的特征變化不大.斑胸草雀定型鳴曲只有一種主題(motif)，而孟加拉雀的鳴曲有復(fù)雜的語法結(jié)構(gòu)，由許多不同的短語(phrases)組成，每種短語由1個或多個音節(jié)以固定的順序排列，因此每個短語都有一定的概率出現(xiàn).與斑胸草雀相反，損傷孟加拉雀NIf對成年鳴曲的產(chǎn)生有復(fù)雜的影響.NIf損傷降低小概率短語出現(xiàn)的可能甚至消失，所以引起鳴曲可變性降低，音節(jié)順序更加固化，這個實驗提示，NIf可能影響鳴曲的高級語法結(jié)構(gòu)，NIf信息的輸入缺失引起HVC發(fā)出短語順序更加穩(wěn)定的鳴曲[24].斑胸草雀的鳴曲缺乏復(fù)雜高級的語法結(jié)構(gòu)，因此NIf損傷對鳴曲的影響不明顯.以上實驗說明NIf對成鳥鳴曲的產(chǎn)生和維持具有重要作用.

4 發(fā)聲學(xué)習(xí)模型

鳴禽的鳴唱學(xué)習(xí)和人類的語言學(xué)習(xí)都是模仿學(xué)習(xí)的特例.模仿學(xué)習(xí)中，大腦的運動系統(tǒng)必須學(xué)會產(chǎn)生合適的神經(jīng)發(fā)放編碼記憶教習(xí)曲模板.在傳統(tǒng)模型中，鳴禽在 “比較區(qū)域C” 根據(jù)記憶中的教習(xí)曲模板通過聽覺反饋評估自鳴曲的質(zhì)量，根據(jù)這種比較的結(jié)果判斷是否將增強或弱化的信號傳遞至運動通路突觸以加強或減弱這種鳴唱行為，經(jīng)過許多次這種比較的過程，幼鳥不斷調(diào)整BOS直至鳴曲固化定型.在此過程中，皮質(zhì)紋狀體突觸可能通過神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺(DA)對一些輸入信號產(chǎn)生偏向并影響鳴曲的可塑性學(xué)習(xí)[30].但這種比較模型并沒有闡述睡眠或安靜狀態(tài)下鳴禽一些核團的聽覺反應(yīng)在學(xué)習(xí)期中的意義.

實驗表明，幼鳥在首次教習(xí)時，聽覺刺激誘導(dǎo)RA的活動同當(dāng)天幼鳥睡眠時再次聽到同一教習(xí)曲引起的RA反應(yīng)是一致的.基于聽覺核團NIf和運動核團HVC和RA在睡眠、麻醉和安靜等離線(off line)狀態(tài)(相對于鳴唱或覺醒等on line狀態(tài))下聽覺反應(yīng)的研究，HAHNLOSER等[23]提出鳴唱學(xué)習(xí)的逆模型(Inverse model).感覺期形成的模板就是聽覺神經(jīng)元對教習(xí)曲聽覺刺激產(chǎn)生的固定神經(jīng)發(fā)放模式.逆模型認為感覺運動學(xué)習(xí)期，清醒鳥通過聽覺反饋將聽覺信息輸入至運動系統(tǒng)，在突觸水平上，聽覺系統(tǒng)固定的神經(jīng)發(fā)放改變運動通路中的神經(jīng)元活動，最終影響鳴曲的輸出；在睡眠離線狀態(tài)，模板等固定的神經(jīng)發(fā)放輸入到運動系統(tǒng)中的神經(jīng)元，改變這些神經(jīng)元原來的發(fā)放模式，則表明鳴禽正在對BOS進行調(diào)整，主要特征是不依賴聽覺反饋，可以在鳴禽剛剛結(jié)束鳴唱后或睡眠等非典型鳴唱學(xué)習(xí)的時候發(fā)生，并且使產(chǎn)生某種聲音特征的發(fā)聲運動神經(jīng)元和對相同聲學(xué)特征有反應(yīng)的聽覺神經(jīng)元聯(lián)系在一起.逆模型中，幼鳥在感覺期聽到教習(xí)曲，儲存聽覺模板；在感覺運動學(xué)習(xí)期，幼鳥回憶起教習(xí)曲的聽覺記憶，驅(qū)動運動神經(jīng)元發(fā)放，形成教習(xí)曲的運動記憶，即聽覺記憶驅(qū)動運動記憶的形成.這一階段中的聽覺反饋可能不用于提高BOS的質(zhì)量，但與固定運動神經(jīng)元的發(fā)放模式有關(guān)(圖4).2種鳴唱學(xué)習(xí)模型的區(qū)別在于聽覺反饋促進幼鳥學(xué)習(xí)的方式不同，也可認為逆模型是傳統(tǒng)比較模型的延伸和拓展，對于感覺運動整合機制的研究具有重要的意義.

圖4 感覺運動學(xué)習(xí)中的傳統(tǒng)比較模型和逆模型[23]

5 鳥鳴與人言

鳴禽鳴唱和人類語言學(xué)習(xí)有許多相似處.第一，在發(fā)聲學(xué)習(xí)過程中，幼鳥和人類嬰兒都需要聽覺反饋獲得感覺模板并進行發(fā)聲練習(xí)，最終形成固定的結(jié)構(gòu)或語法，利于穩(wěn)定鳴曲或語言的產(chǎn)生.從嬰兒最初的聽覺經(jīng)歷到幼兒最終對語言的掌握是需要2～3年時間的，一般認為與語言相關(guān)的大腦運動區(qū)域可能沒有參與到聽覺經(jīng)歷的編碼過程，而僅僅與運動學(xué)習(xí)的最后階段有關(guān).而在鳴禽中，HVC參與聽覺信息模板記憶編碼的實驗提示在語言學(xué)習(xí)的最初階段人類嬰兒的Broca區(qū)是否也發(fā)揮相應(yīng)的重要作用呢？Broca區(qū)是否參與或協(xié)助語言方面記憶的儲存呢？這些還都需要大量實驗進一步探討.第二，在神經(jīng)環(huán)路功能的研究中，兩者之間也有相互借鑒之處.鳴禽HVC類似于人類運動性語言中樞Broca’s Area[31]，該區(qū)域在語言產(chǎn)生中與語音編碼和音節(jié)劃分有關(guān)，fMRI檢測中發(fā)現(xiàn)言語產(chǎn)生時Broca’s Area處理的時間進程最長，在人類語言產(chǎn)生中具有重要作用[32].而鳴禽NIf與人類的Spt區(qū)(Sylvian parietal-temporal)有許多相似的特征.

一般來講，人腦對語音信息的加工是將語音信息轉(zhuǎn)換成語義的過程，即大腦的左右初級聽覺皮質(zhì)先解碼識別聽覺詞匯，再經(jīng)由左側(cè)語言加工系統(tǒng)實現(xiàn)語義的通達和言語-運動的表征[32].左側(cè)語言加工系統(tǒng)可分成2部分：腹側(cè)通路，經(jīng)由顳上溝(STS)并最終到達顳下回后部(pITL)，包括部分顳中回(MTG)和顳下回(ITG)區(qū)域，負責(zé)語義加工；背側(cè)通路從背后方投射到頂葉，并最終到達額葉言語產(chǎn)出中樞，因位于外側(cè)裂(也稱為西爾維亞溝)-頂葉-顳葉3個部分的交界處也稱為Spt，是人類感覺性語言中樞Wernicke’s area的一部分，主要負責(zé)言語運動的表征[33].與鳴禽類似，運動表征的存在使嬰兒沒有經(jīng)過言語運動的訓(xùn)練，僅僅通過接受外界語音的輸入就學(xué)會了發(fā)音，同時成人也需要知覺自己的言語來對言語運動做出反饋，這對人類準確發(fā)音具有重要意義.因此，人類語言產(chǎn)生中必然存在聽覺輸入影響言語運動輸出的整合過程，神經(jīng)解剖學(xué)發(fā)現(xiàn)Spt可投射至Broca’s area，正如鳴禽中NIf投射至HVC，但Spt對Broca’s area的具體影響尚不清楚，兩者之間功能上的聯(lián)系在人類語言學(xué)習(xí)和產(chǎn)生中的功能需要進一步研究(圖5).

圖5 人腦中Broca’s area、Wernicke’s area和Spt area示意圖[32]

第三，人類和鳴禽的語言中樞都發(fā)現(xiàn)了顯著的側(cè)別優(yōu)勢現(xiàn)象.人類嬰兒接觸到語言時大腦就表現(xiàn)出左側(cè)優(yōu)勢，再者，出生2個半月嬰兒的Wernicke’s area在言語感知時就能體現(xiàn)出記憶方面的左側(cè)優(yōu)勢.幼年和成年斑胸草雀HVC神經(jīng)元的激活對教習(xí)曲或不熟悉的鳴曲刺激都可表現(xiàn)出左側(cè)優(yōu)勢，但同樣類似于Wernicke’s area的NCM只對教習(xí)曲有左側(cè)優(yōu)勢，目前還未有研究NIf是否具有側(cè)別優(yōu)勢現(xiàn)象[31].本實驗室曾致力于探討斑胸草雀的側(cè)別優(yōu)勢.LIAO等[34]斷鳴管神經(jīng)后發(fā)現(xiàn)斑胸草雀鳴曲開始去穩(wěn)定化，其中斷右側(cè)對鳴曲影響較大，同時與人類基底核類似的X區(qū)中Zenk蛋白表達也存在右側(cè)優(yōu)勢.這些實驗結(jié)果說明了在側(cè)別優(yōu)勢方面，鳴禽和人類具有高度的相似性，這也表明鳴禽可作為一種非常好的模式動物用以研究有關(guān)人類語言的相關(guān)問題.

腦與語言的關(guān)系一直是困惑科學(xué)界的核心問題之一.語言的復(fù)雜性和模式動物的缺乏使發(fā)聲學(xué)習(xí)的研究受到了極大的限制.因此，鳴禽作為一種發(fā)聲學(xué)習(xí)的模型，了解NIf-HVC突觸聯(lián)系的功能有助于研究鳴禽鳴曲的學(xué)習(xí)和產(chǎn)生，有利于揭示人類大腦Broca區(qū)和Spt區(qū)在語言形成中潛在的功能和發(fā)聲相關(guān)的感覺和運動信息整合的機制.聽覺反饋對于鳴禽鳴唱是至關(guān)重要的，通過聽覺隔離(如致聾等)干擾聽覺反饋的過程可顯著使鳴唱去穩(wěn)定化，所以人們對這個方面的研究有著極大的興趣.左明雪等人通過電鏡和在體電生理技術(shù)發(fā)現(xiàn)致聾后孟加拉雀鳴唱核團HVC和RA突觸效能降低[35-36].但以往對致聾的研究對突觸或神經(jīng)元水平的研究較少，特別是干擾聽覺反饋對于與感覺運動信息整合有關(guān)的NIf-HVC突觸功能或其他鳴唱核團的影響以及相關(guān)分子機制還不清楚.目前，本實驗室主要運用膜片鉗、在體電生理、分子生物學(xué)以及聲譜分析等技術(shù)研究聲音隔離(如致聾等)對斑胸草雀鳴唱及其生理生化指標的影響，以探討感覺信息缺失在神經(jīng)元、突觸和鳴唱行為等方面潛在的影響以及感覺運動信息可能的整合過程，這可能為人類語言學(xué)習(xí)的研究和相關(guān)疾病的治療提供相關(guān)的生物學(xué)研究資料或啟發(fā).

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Keywords： song learning; auditory feedback; NIf; HVC; auditory-vocal information integration

ConnectionsofNIf-HVCandVocalLearningandMaintenanceinSongbirds

LI Dongfeng*, FENG Li**, LIU Shaoyi, ZHANG Meng

(School of Life Science, South China Normal University, Guangzhou 510631, China)

Birdsong and human languages are both acquired by learning. During sensory period, templates are formed in the brain after juveniles heard tutor songs and stored in the related areas and in the motor-learning phase, juveniles compare their own songs to the templates and modify them to match the templates in their memories. When the songs are crystallized in the adult stage, auditory feedback is required to maintain the features and stability of their own songs. Hence, the sensory-motor integration of auditory and motor systems is vitally important to the formation of templates and the maintenance of crystallized songs. In the recent years, it is found that NIf-HVC synapses are related with the formation of templates memory and the maintenance of spatial features of plastic songs in the juveniles while this projection is crucial for the grammar structure of crystallized songs in the Bengalese finches. In songbirds, HVC if homologous to human Broca’s Area and NIf has many similarities with Area Spt in the human speech processing circuit. Therefore the research on the function of NIf-HVC synapses in the speech circuit is not only helpful for the study of Area Broca and Spt of human but also advantageous for exploring the mechanism concerning sense and motion information integration involved in vocal learning.

2013-03-20

國家自然科學(xué)基金項目(31172092)

*通訊作者:李東風(fēng)，教授，Email:dfliswx@126.com.

**與第一作者同等貢獻

1000-5463(2013)06-0140-08

Q957

A

10.6054/j.jscnun.2013.09.020

【中文責(zé)編：成文 英文責(zé)編：李海航】