鸟类大脑里的“自动驾驶”系统:鸣唱序列的整体控制机制

一段熟练悦耳的鸟鸣，究竟是被大脑的独立单音+单音节”实时拼出来，还是由某套已经成形的神经程序整体释放出来？

在过去，人们普遍认为鸟类鸣唱是“边唱边指挥”的过程。好像每唱完一个音节，大脑就要再发出一次新的指令把下一个音节接上；整段歌声，就这样被一步一步往前推着走。这样的理解简单直观符合人们对复杂行为的常识判断。然而真实的神经通路是否如此？近期，一项针对斑胸草雀（Taeniopygia guttata）的研究给出答案。Trusel等人在研究中论证了一种新的观点：对于已经熟练的成年斑胸草雀来说，一段歌声一旦启动，后面的部分可能并不需要外部输入在每个音节边界反复“提醒”，而是能够由大脑皮层鸣唱前运动区HVC内部的局部网络整体推进完成。也就是说，对于成年鸟类来说，熟练鸣唱可能并不依赖外部输入在每个音节边界不断更新，而是由前脑关键核团HVC内部的局部网络，在启动后主动推进了整段鸣唱向前展开。这个发现不仅解答了“鸟儿如何鸣唱”，而且触及到更广泛的问题：大脑究竟如何把一连串单一鸣唱动作，整合为成套流畅而完整的曲目？

斑胸草雀，即“珍珠鸟”  图源christoph_moning https://www.inaturalist.org/photos/96756110, CC BY 4.0

复杂行为通常被认为是在学习过程中，由较小的动作单元切分、组块化，再逐渐拼接成统一的前运动程序；但这种“统一程序”在神经系统中的形成机制一直没有得到明确研究。鸟鸣恰好提供了一个理想模型：鸣禽和人类一样，都属于少数能够通过模仿学习发声的动物类群；而斑胸草雀成年后的求偶鸣唱呈现出稳定性与重复性，皮层歌核（HVC）中稀疏的连续神经活动可能是斑胸草雀求偶鸣唱的神经基础。为此，研究团队针对此问题展开实验，通过 HVC 内端脑内前运动神经元和皮质谱系神经元，这些对探究歌声音节序列的神经控制至关重要。

HVC 能够独立于其主要突触输入通路生成完整的学习歌曲音节序列。在开始鸣唱时，HVC 需要丘脑输入，但音节间的过渡或完成歌曲时则不需要。研究者在斑胸草雀鸣唱时，对 HVC 进行闭环光遗传刺激。结果发现，正在进行的鸣声会迅速中断；但更有意思的是，鸟儿在中止鸣唱后会在极短时间内重新从头开始唱，像一张播放中的唱片突然“跳针（skipping record）”，又回到起点（图1）。更重要的是，这种重启并不是偶然现象，也不是只发生在歌曲某个固定位置，而是几乎可以在整段歌的任何阶段被诱发。

如果鸟鸣的发生和正确延续依赖外部输入在每个音节边界不断更新，则中途受到干预的鸟鸣会局部紊乱、衔接失败等。但研究观测到的却是另一种结果：在光刺激发生后，整段鸣声像被整体复位从开头重新来过。鸟类从头开始重新开始鸣唱，先用一两个引子音接着主题，或直接回到主题的第一个音节。这种重置行为发生的概率很高，与光遗传刺激在歌中何时被触发无关。论文进一步指出，这种现象与中央模式发生器受到扰动后出现的节律重置有相似之处，也因此提示 HVC 很可能本身就具有模式生成网络的属性。

图1 HVC 受到刺激后，斑胸草雀的歌曲会像“跳针”一样从头重来

*对高级发声中枢（HVC）进行光遗传激活可导致鸣唱序列中断并重新启动。a，基于鸣唱状态的 HVC 闭环光刺激示意图；HVC 中表达光敏感通道蛋白ChRmine 的神经元样本图像。b，正常鸣唱（上）与受刺激鸣唱（下）的声谱图（0–11 千赫兹）。水平线标注鸣唱元素边界，引言音 “i” 之后为构成鸣唱序列的音节（A、B、C）。光刺激（红色柱：10 毫秒光照）引发鸣唱序列中断（蓝色虚线覆盖字母；虚线轮廓为被截断音节的缺失部分；斜线截断的线段表示序列中断）。橙色圆点表示重新启动。c，按刺激起始潜伏期排序的堆叠式对照（上）与受刺激（下）鸣唱振幅图（红线；箭头）。d，刺激潜伏期（红色）、鸣唱序列中断潜伏期（蓝色）以及刺激后 1 秒内恢复发声的类型。e，箱线图（5%–95% 分位数；25%、50% 和 75% 分位数）展示光遗传刺激结果（平均概率，n=6 只鸟）。f，在鸣唱序列不同阶段给予刺激时，引发序列中断的平均潜伏期 ± 标准误（分段区间：10% 鸣唱进程；n=6 只鸟）。g，每只鸟所有试验的序列中断潜伏期箱线图（n=6）。

在鸟鸣研究中，来自丘脑核团 Uva 的输入，一直被认为可能参与歌曲中不同音节之间的切换，甚至被怀疑会在音节边界提供“下一步”的指令。而这项研究中发现，丘脑输入对 HVC 的作用，更像是帮助歌曲启动，而不是在中途持续扮演“指挥者”的角色（图2）。丘脑刺激导致截断延迟显著长于直接的 HVC 刺激，但这主要导致鸣唱终止，而非鸣唱重置。也就是说，Uva 对歌曲开始很重要，但对音节之间的衔接和整段歌曲的完成并非必要。这意味着一旦歌曲真正开始，后面的推进任务主要就落回到了 HVC 自己身上。论文进一步提出，Uva 发送的可能是一种同步的起始信号，用于协调音节的启动；而每个音节一旦开始，后续推进就在 HVC 内部相对自主地完成。换句话说，来自丘脑的外部输入更像是“按下开始键”，而非在鸣唱过程中持续下达每一步指令。

图2 丘脑输入更像“启动键”，而不是中途指挥者

*Uva神经元未指导歌曲动机中音节间的转换。A，示意图、样本轨迹、光栅图及标准化刺激前后时间直方图（PSTH），显示麻醉状态下表达eGtACR1的Uva神经元 HVC 多单元活动记录；Uva传入纤维的光刺激（1秒，红色条带）；插图：放大 PSTH 与散点图对比基线状态与刺激状态（200毫秒，虚线矩形；n=30个半球，17只鸟）。B， HVC 中Uva终末神经元的歌曲依赖性光刺激（红色条带，200毫秒）；样本频谱图（0–11 kHz；水平线标识歌曲元素）。C，小提琴图显示每只鸟（n=4）在有（灰色）与无（白色）刺激时歌曲片段识别准确率。D，表达ChRmine（红色）的UvaHVC神经元（绿色逆行示踪标记）。白色虚线为光纤尖端。E，UvaHVC刺激实验与b图相同。f、箱线图（第5-95百分位数；第25、50及75百分位数）报告光遗传学刺激结果（平均概率，n=3只鸟；实心圆点表示图1e中空箱线图用于对比）。g、UvaHVC刺激实验与c图相同（n=3只鸟）。比例尺：b图200毫秒，d图200 µm ，d图插图20 µm 。a图与d图中的脑轮廓图经参考文献60（Wiley出版社）授权改编。

这项研究还支持另一种解释：成年斑胸草雀的熟练鸣唱发声，可能已经被内化为 HVC 局部网络中的整体程序。除了保留一个对歌曲起始重要的丘脑输入之外，HVC 可以在缺少主要外部输入通路的情况下，依然完成整段歌曲所需的序列推进——一旦发声启动，HVC 内部的皮层样序列生成网络就能够维持所有音节的产生，而不依赖主要外源输入通路。因此研究者提出：顺序性神经活动可以把已经高度熟练的发声运动序列“融合”起来，最终形成对整段自然学习行为的整体控制。

在HVC 内部，HVCX在支撑这种整体控制，过去，这类神经元常被看作与基底节通路相关、偏向传递时间信息的成分；但这篇研究发现，选择性刺激 HVCX，同样可以高概率地让歌曲迅速截断并从头重启，而且其效果与直接刺激整个 HVC 非常接近。研究者进一步通过突触连接分析和计算模型发现，HVCX 与 HVCRA 并不是彼此独立工作的，而是与局部抑制性中间神经元一起，构成了一个能够支撑整段歌曲模式传播的局部网络。

模型更进一步预测：如果明显削弱 HVCX 的神经传递，歌曲会更容易提前中断，并在中断后重新开始。后续实验结果也支持了这一点。论文因此认为，支撑熟练鸣唱整体推进的，并不是某一类神经元的单独作用，而是 HVC 内部一个具有明确局部连接结构的模式生成网络。

图3 HVCX 参与构成支撑歌曲整体推进的局部网络

* 该图展示了Uva 对音节序列启动具有容许作用。a，示意图与样本图像（神经元核抗原免疫荧光染色，灰色；高级发声中枢逆行示踪剂，绿色）及声谱图（0–11 千赫兹；横线标注鸣唱音节单元），展示 Uva 及丘脑周围 Uva 区双侧兴奋性毒性损伤的作用效果。b，损伤前（圆形）与损伤后 1–2 周（三角形）的音节序列自相似性（丘脑周围 + Uva 组，棕色；n=8；仅丘脑周围不含 Uva 组，灰色；n=2；仅 Uva 不含丘脑周围区组，蓝色；n=3）。c，三个实验组中 Uva 的损伤比例。d，仅损毁 Uva 而保留丘脑周围 Uva 区的鸣禽（n=3 只），在损毁前（黑色）与损毁后 30 天（蓝色）单次鸣唱音节序列数量的累积概率。e，Uva 兴奋性毒性损伤前（灰色圆形）与损伤后（蓝色三角形）音节序列启动失败率。f，示意图、样本图像和声谱图（同 a），展示 UvaHVC 神经元中破伤风毒素轻链表达的作用效果。g，箱线图（5%–95% 分位数及 25%、50%、75% 分位数），展示病毒注射前鸣唱的音节序列（灰色）与 UvaHVC 神经元表达破伤风毒素轻链 1–2 周后、鸣唱完全停止前最后发出的音节序列（紫色三角形；n=6 只）之间的自相似性。h，UvaHVC 神经元表达破伤风毒素轻链前（黑色）与表达后 1–2 周（紫色；n=6 只）单次鸣唱音节序列数量的累积概率。i，UvaHVC 神经元表达破伤风毒素轻链前（灰色圆形）与表达后（紫色三角形；n=6 只）的音节序列启动失败率。NS，无统计学差异。

席天宇

中山大学鸟类生态与进化研究组博士后

鹦鹉主理人

Echo乐队现役鼓手

MBTI:ESTJ(E值100%)

xity3@mail.sysu.edu.cn

研究方向：

鸟类声音与行为的结构化分析研究，结合生态学、动物行为学与人工智能方法，探索鹦鹉等鸟类鸣声中的时序组织、音高规律及其在动物语言解译与跨物种交流中的意义。