鸟鸣告诉我们脑细胞和学习

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。学习发生在神经元形成新的连接并加强或削弱现有连接的过程中，这使大脑具有所谓的突触可塑性。然而，越来越多的证据表明，细胞本身固有的、内置的特性，而不仅仅是它们之间的连接，也在这个过程中发挥作用。

芝加哥大学神经科学家的新研究使用了一个独特的模型——鸟类复杂的求偶鸣叫——来展示这些内在属性是如何与复杂的学习过程紧密联系在一起的。这项研究发表在自然通讯这可能会给我们对大脑的理解增加一层新的复杂性。

这项新研究的资深作者、神经生物学家Dan Margoliash博士说:“我们能够直接从细胞的特性研究动物的行为。”“这表明，驱动学习和记忆的不仅仅是突触的快速变化，还有细胞内在特性的变化。”

雄性斑胸草雀以唱复杂精确的歌曲来吸引雌性伴侣而闻名。它们每次都试图发出完全相同的音符模式和时间，在某种程度上，雌性通过雄性歌曲的准确性来判断它的健康状况。但鸟类并不是天生就会唱歌;他们必须学习和练习他们的呼唤，就像一个年轻的萨克斯管演奏家在毕业前练习音阶和基本旋律一样。

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。“单独研究鸣禽是很棒的，但这不仅仅是关于鸣禽。这是神经科学的大问题。”他说。

所有的活细胞都有一个内部电压，它与周围环境的电压不同。神经元很特别，因为它们有所谓的动作电位或快速改变进出电池电流的能力。这些动作电位峰值的序列和时间构成了神经元在网络中传递的信息，因此它们是理解大脑如何学习的重要数据来源。

在这项新研究中，Margoliash博士和Arij Daou博士(芝加哥大学前博士后学者，现为黎巴嫩贝鲁特美国大学助理教授)记录了斑胸草雀神经元在不同发育阶段的动作电位峰值模式——已经完全发育成熟的成年鸟和仍在学习的幼鸟。

神经元的细胞膜上有各种各样的通道和蛋白质，它们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。这种机制的集合包括细胞的内在特性，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，Margoliash和Daou设计了一种数学方法来比较两只给定鸟类的内在特性之间的匹配程度。在一只特定的鸟类中，一类神经元的内在特性彼此相似，但它们因鸟而异。但当研究人员对它们的歌曲相似度进行类似计算时，他们得出了一个惊人的结论。

“这是伟大的‘啊哈!’时刻，”马戈里什说。“当我们对鸟类进行计算时，我们发现内在属性相近的鸟类也有相似的歌曲。”

这种关系也适用于不同的鸟类配对。由同一父母抚养的兄弟成年鸟——因此受到相同的教育——有着相似的歌声和内在的细胞特性。但那些还没有完美歌唱的幼鸟在地图上到处都是。无论它们之间有怎样的联系，幼鸟的内在细胞特性和它们的歌声之间都没有明确的关系。

研究人员还能够展示细胞随着歌曲模式的变化而改变。使用一种设备记录鸟类的叫声，并稍微延迟播放，使鸟类改变了它们的叫声模式，这与人类口吃的方式类似。他们立刻被卡住了，试图开始唱歌。最终，这些鸟类会被困在某些音调上，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类口吃。如果说话者听到自己的声音稍微延迟，就会导致他们在单词和重复音节上出错。但对于许多口吃的人来说，听到延迟的进食可以帮助减少口吃。

在听了导致口吃的延迟反馈后的几个小时内，这些神经元的内在属性发生了变化鸟这也表明了与唱歌行为的改变有直接联系。Margoliash说，这是口吃的生物机制的证据，考虑到行为上的相似性，这也可以为人类提供一个有用的模型。

“当然，口吃有重要的认知组成部分，我们还没有机会研究，也没有机会看看鸟叫声模型有多有用，”他说，“但在基本层面上，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。”

这项研究，“内在神经元特性代表首歌和斑胸草雀发声学习中的错误”，发表于2020年2月19日自然通讯．

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