歌唱小鼠研究或有助于揭开对话之谜

照片来源:NYU医学院。

这是我们的记者冯唐

如果鼠标成为一部歌剧，阿尔斯通的唱歌鼠标将成为主角。这只低调的棕色老鼠生活在中美洲的云雾森林中。它能直立它的后腿并发出长而复杂的颤音。纽约大学医学院的神经科学家迈克尔·龙说，每只唱歌的老鼠似乎都唱得很独特。“我能认出这首歌，然后说，‘啊，那是拉尔夫！’"

阿尔斯通的唱歌老鼠不仅会唱歌，还会做很多实验动物做不到的事情:轮流唱歌。他们会用竞争性的二重唱挑战对手，也就是说，会唱歌的老鼠会用它们独特的高音快速地轮流唱歌。

这些速射二重奏为研究人员提供了一个研究人脑如何控制对话的新模型。"老鼠甚至可以告诉我们影响交流的障碍出了什么问题。"龙告诉《中国科学》。

最近，龙和他的同事们开辟了一个新的领域:用一种新的哺乳动物模型来研究声音转换亚秒级精度背后的大脑机制。相关论文最近发表在《科学》杂志上。研究发现，除了告诉肌肉大脑中产生音符的区域，运动皮层中的独立回路也可以开始和停止说话，从而在发声伙伴之间形成对话。

“有些人经常因为自闭症等疾病或中风等创伤性事件而无法与同龄人交流。如果我们想设计新的治疗方法，我们需要知道大脑如何使用近100块肌肉来立即产生口腔反应。”龙说。

对话之谜

人类对话中有许多感人的部分。为了与他人交谈，我们必须倾听对方的讲话，同时思考和组织我们的话语，不断调整它们，引导我们的发声肌肉在适当的社交场合以适当的方式表达它们。然而，人们对这种感觉-运动转换的基本机制知之甚少，这种转换使得基于言语或声音交流的社会互动成为可能。

尽管许多动物通过声音交流，但很少动物表现出模仿人类对话的快速动态交流。龙提到大多数实验动物缺乏这种复杂的语言功能。最常见的实验室老鼠(老鼠)能发出相对混乱和不可预测的声音，而且它不太可能反过来发出嗡嗡声。

"尽管声音交流在自然界中无处不在，但在神经科学中没有合适的哺乳动物模型."该项研究的主要作者、龙实验室的博士后研究员Arkarup Banerjee说。

作为神经科学研究的“宠儿”，狨猴可以互相来回呼唤，但它们在回应前也会停顿几秒钟，这意味着这不太可能是由于肌肉对感觉信号(如运动皮层电路)的快速反应。“想象一下两个人之间的对话，每次停顿5秒钟。我想我会发疯的。”龙说。

这就是为什么研究人员对阿尔斯通唱歌的老鼠感兴趣。虽然其独特的歌曲的社会功能还不完全清楚(表现的似乎是一部分领土显示，虽然它可能不总是对抗性的)，小啮齿动物仍然深深吸引了龙。这个物种在神经科学领域相对较新。实验室里的待遇有点像歌剧女主角。它需要一个宽敞的培养皿、特殊的饮食和锻炼设备来茁壮成长。

宋隐藏着线索

阿尔斯通的歌唱鼠标还有另一个有趣的变化。当一只雄性老鼠进入与另一只雄性老鼠相邻的房间，听到邻居唱歌时，它可以精确地计算自己的歌唱时间，以避免与邻居的歌唱重叠。它将在另一只老鼠唱完歌后大约半秒钟开始。(在人类对话中，延迟甚至更短——平均约200毫秒。研究人员发现，有邻居的老鼠唱歌的频率是它们独处时的四倍。

研究人员想知道会唱歌的老鼠的大脑是如何控制这些精心计时的交流的。许多研究表明，动物的叫声起源于大脑的深层，即进化过程中较老的部分，即所谓的皮质下结构。但是他们想知道在唱歌的老鼠的运动皮层中是否有一个独立的结构，像一个管弦乐队的指挥，根据社会线索控制歌曲的切换。

“雄性阿尔斯通唱歌的老鼠能发出近100个可听音。它们会像人类一样交替发声。我们发现，这些老鼠和人类需要一个叫做运动皮层的大脑区域来相互交流。”龙说。

通过跟踪两只唱歌的老鼠相互唱歌时大脑和肌肉之间的电信号，研究人员首次发现了大脑中一个叫做口面运动皮层(OMC)的区域。当受到刺激时，它会导致与发声相关的唱歌老鼠的肌肉收缩。当人们在这个区域放置冷却装置来减缓他们的神经活动时，老鼠花了更长的时间来完成它的歌声。

长期以来，冷却技术一直是研究与语言相关的人脑回路的先驱。龙提到，这是一种安全的方法，可以在不改变单个音符的音高、音调或持续时间的情况下降低声音的产生速度。

研究人员还发现了运动皮层(即发声运动皮层)中的另一个功能活动“热点”，该活动被发现能调节快速准确的声音交互所需的感觉运动的快速转换。声音产生的功能分离、层次和定时性能使有效的声音通信成为可能。

“通过将声音的产生与控制电路分开，进化赋予了会唱歌的老鼠大脑精确的声音控制能力，这在鸟类二重唱甚至人类对话中都可以看到。”班纳吉告诉记者。

自闭症治疗的潜在方法

龙还认为，唱歌的老鼠是研究自闭症的一种潜在方法，自闭症是一种限制人们交流能力的疾病。研究人员可以操纵自闭症小鼠OMC区域的基因，观察它们如何影响大脑活动和行为。龙说，这些歌剧女主角“为我们开辟了生物学的新领域”

德国图宾根大学的生物学家斯特芬·哈格说，这项研究表明，声音通信系统的进化可能比以前想象的要早得多。“老鼠、猴子和人类都有一个系统的和遗传上保守的初级声道运动网络，它可以协调所有参与发声过程的运动神经元。在进化过程中，位于额叶的第二网络越来越强烈地控制着初级运动网络。这个网络由对人类语言控制至关重要的皮层结构组成，比如OMC。”哈格说，破译老鼠的这些运动皮层和听觉皮层结构之间的相互联系的原理是很重要的，这可以使声音计时快速而准确。

德国哥廷根大学的动物行为学家朱莉娅·费舍尔说:“我认为这是一个很好的方法。他们结合了各种方法。就细节而言，这是一个突破。”

霍华德·休斯医学研究所詹妮亚研究中心的神经科学家卡雷尔·斯沃博达说，阿尔斯通唱歌老鼠是“一种新的有趣的潜在对话研究模式，但我们需要知道更多。”他指出，这项研究并不了解OMC是如何影响大脑活动的，也不了解那里的电路实际上是如何让肌肉运动产生歌曲的。

人类语言比老鼠二重奏复杂得多，但是研究小组计划在人类大脑中找到相应的运动皮层计时机制。“通过理解帮助两个大脑参与对话的活动，我们可以发现疾病干扰交流时出错的过程，这可能会促进许多疾病新疗法的发展。”龙说。

相关论文信息:DOI:10.1126/science.aau9480

中国科学杂志(2019-03-12第三版综合)