美國杜克大學Richard Mooney、John Pearson等研究人員于2021年10月20日，在Nature上發(fā)表了題為“Neural dynamics underlying birdsong practice and performance”的文章，在這項研究中，Richard Mooney等人揭示了鳥類鳴叫練習和表演的神經動力學原理。通過使用Inscopix自由活動鈣成像顯微鏡記錄基底神經節(jié)中的棘神經（SNs）的活動，發(fā)現在唱歌練習期間，基底神經節(jié)中的棘神經(SNs)的活動相對于它們的皮層傳入是高度可變的。相比之下，在面對雌性的表演中，SN的活動被強烈地抑制，并且在練習過程中抑制SNs，會強烈地減少發(fā)聲的可變性。

摘  要

音樂和運動技能是通過密集的練習來學習和保持的，以提供準確而可靠的表演。因此，理解這些復雜的行為需要深入了解大腦在練習和表演時的功能。雄性斑胸草雀學會了制作求愛歌曲，這些歌曲在獨處時更加多樣化，而當面對雌性斑胸草雀時，它們歌聲則更加老套。這些差異被認為分別反映了歌曲的練習和表演，為探索神經元如何編碼和調節(jié)這兩種狀態(tài)下的活動變化提供了一個有用的系統。

研究人員表明，在唱歌練習期間，基底神經節(jié)中的棘神經(SNs)群的鈣信號相對于它們的皮層傳入是高度可變的。相比之下，在雌性出現的表演中，SN鈣信號被強烈地抑制，并且在練習中通過光遺傳抑制SNs，會強烈地減少發(fā)聲的可變性。無監(jiān)督學習方法表明，特定的SN活動模式映射到不同的歌曲練習變體。研究人員確定，去甲腎上腺素能信號通過直接抑制SN活動來減少發(fā)聲變異性。因此，在練習過程中，SN組合編碼和驅動發(fā)聲探索，而去甲腎上腺素能對SN活動的抑制促進了聽眾歌曲的定型和精確的表演。
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正  文
成年雄性斑胸草雀在獨處時(也就是在練習時)會唱更加多樣化的歌，而面對雌性斑胸草雀則會唱更老套的歌，這也是更有效的求偶信號。值得注意的是，基底神經節(jié)(BG)特定部位(X區(qū)；以下簡稱為sBG)在這兩種狀態(tài)中是不同的，而sBG病變暫時減少了歌曲的變異性。

1. SNs編碼歌唱期間特定的運動相關活動

目前對于“SN組合是如何在實踐中編碼變異性的，以及它們的活動是如何被動態(tài)調節(jié)以實現模式化的歌曲表演”還是未知的。為了解決這些問題，研究人員使用Inscopix成像顯微鏡來成像表達GCaMP7f的SNs，觀察這些神經元在成年雄雀自由歌唱時的變化(圖1a-c)。當雄性在獨自唱歌時，SNs群顯示出動態(tài)的活動模式，活躍神經元的時間和參與在連續(xù)的歌曲演唱中發(fā)生變化(圖1d)。通過比較神經群中的平均順序活動和單次的順序活動來可視化這些動態(tài)(圖1e)。雖然SN群體的活動是動態(tài)的，但它是特定于唱歌的：在運動和其他非聲樂運動期間，SNs很大程度上是靜默的。而且，SN活動會先于唱歌開始(圖1c)，在非唱歌時期對歌曲播放是沒有反應，且不受歌唱觸發(fā)噪聲的影響，這表明SNs編碼歌唱期間特定的運動相關活動。
 

圖1 SN神經群活動是特定于歌曲的和可變的

唱歌相關活動的主要來源是唱歌前運動核HVC中的投射神經元(PNs)。與SNs相比，HVC PNs在1天內的歌曲演唱高峰時間和參與度相對穩(wěn)定，這與之前的工作一致。因此，在任何一首歌曲的演唱中，HVC PN合奏中與演唱相關的活動模式與整個演唱的平均值相似。因此，在實踐中可變的SN活動不是成像偽影或繼承自HVC。

2.SN活動導致聲音變異性

當雄性從練習轉換到面對雌性的歌曲表演時，SNs的活躍度明顯下降，大多數SNs中的鈣信號低于檢測閾值(圖2a-c)。這種活躍度的降低與雄性的身體運動無關，也不是光漂白的原因，因為在唱歌過程中，雌性的交替出現會有效且可逆地減少SN的活性。當雄性在唱歌練習和表演之間交替時，HVC細胞及其sBG軸突末端的歌唱相關活動均未發(fā)生變化(圖2e)。單個SNs的顯微成像時，在表演過程中，SN的鈣信號受到強烈抑制(圖2f, g)。因此，SN總體活性的變化直接平行于歌曲變異性的變化，而這些變化在HVC及其在sBG中的軸突中并不明顯。

為了測試在面對雌性的表演中，SN活性的減少是否會導致更刻板的歌聲，研究人員分別使用CaMKII或CAG啟動子在SNs或sBG神經元中選擇性地表達了抑制性視蛋白ArchT。通過組織學證實，蒼白球投射神經元中的ArchT表達是由CAG而不是CaMKII啟動子驅動的，并且，無論是哪一個啟動子，用綠光照亮sBG都強烈抑制了神經活性(圖2h)。在無定向歌曲表演的隨機子集(15-30%)中，通過光遺傳學抑制SN或sBG神經元活動，降低了目標音節(jié)的基頻(音高)的演唱變異性(圖2i, j)。抑制sBG或SN活動也減少了音節(jié)內音高變化，這是面對雌性表演的另一個特征。因此，在歌唱練習中抑制SN或sBG神經元的活動可以重現面對雌性歌唱的幾個聲學變化特征。
 

圖2 SN活動導致聲音變異性

3. SNs產生的動態(tài)活動模式與音高變化有因果關系

斑胸草雀的鳴叫聲由幾個頻譜復雜的音節(jié)組成，這些音節(jié)被組織成一個有序的序列，或者說是一個主題，這不能簡單地用這個單一的指標來概括。因此，研究人員通過模擬sBG合奏活動與實際歌曲主題中的聲學結構之間關系來研究歌曲可變性背后的神經編碼。作者首先使用了變分自動編碼器(VAE)，一種無監(jiān)督機器學習模型，將聲譜圖數據(n≈16000像素)壓縮到低維(n = 32)潛在表示。這些潛在的維度構成了對歌曲數據的簡潔描述，但保留了原始頻譜的豐富結構。研究人員發(fā)現，具有更多相關感興趣區(qū)（ROI）活動也傾向于具有更高的聲學相似性，如通過在VAE學習的潛在空間中較短的距離進行量化，將SN活動模式的變異性與歌曲的變異性聯系起來。然后VAE聯合建模聲譜圖和群活性(ROI平均熒光來自每只鳥約60個ROI)。在這里，添加一個全局潛在變量(圖3a)來生成對群活動和發(fā)聲的成對觀察，并鼓勵這兩個已學習的表征在訓練中彼此一致。相對于控制模型，該聯合編碼模型具有正向預測能力(圖3b)，表明聲學和神經數據之間存在共享信息。此外，當配對、保留的神經和聲音數據單獨編碼并沿著VAE潛在空間中的共享可變性軸投影時，產生的表征比所有情況下隨機數據配對產生的表征具有更強的相關性(圖3 c, d)。研究人員還檢測到歌曲回合中ROI活動、節(jié)奏和主題位置之間的關系，以及編碼歌曲回合中后續(xù)主題數量的單個SNs，這表明SN活動和歌曲之間存在跨多個時間尺度的關系。然而，當將分析限制在一個回合的一個主題時，仍然可以獲得積極的預測性能。因此，聯合模型的表現并不單單是由于相對緩慢的鈣信號和歌曲回合中緩慢的聲學結構變化之間的相關性。

接下來，研究人員探討了神經活動與通過聯合模型發(fā)現的鳴叫之間的關系。使用模擬的神經-聲音數據對來生成對比頻譜圖和神經活動圖(圖3d)，描繪了沿著這些共享軸(圖3c，品紅到綠色)運動的影響。盡管圖1中描述了合奏參與和組成的可變性，但該模型學習了選定ROI中的活動水平和特定歌曲特征之間的一組特定關系，表明SN群映射了不同的神經群活動的不同變體映射到聲樂輸出中可識別的高度結構化變化。
 

圖3 SN神經群活動和歌聲聯系的聯合神經-行為的建模方法

實驗結論

這些發(fā)現表明，LC神經元(sBG的去甲腎上腺素的主要來源)在雄性對雌性唱歌時比獨自唱歌時更活躍。

首先，研究人員確認測量sBG中即時早期基因Fos表達的場景差異，并將這一分析延伸到LC中，發(fā)現雌性唱歌時Fos表達更高。此外，LC中的Fos表達隨社會環(huán)境的變化而變化，但與HVC或sBG不同，它不依賴于歌唱頻率，這表明它不是簡單的面對雌性歌唱的結果。

其次，將SN活動的社會背景依賴性變化與歌曲變異性的狀態(tài)依賴性變化聯系起來。在歌唱練習中，SNs中的鈣信號增加，而在HVC PN中的鈣信號不增加，在面對雌性的表演中，鈣信號被強烈抑制，這讓人想起SN中發(fā)生的微妙變化，而不是HVC PN在這些狀態(tài)下的動作電位活動。顯然，SNs中動作電位的微小變化與鈣內流的大變化相對應，而鈣內流的大變化又可能導致基因表達的明顯場景依賴性變化。

這項研究還證實去甲腎上腺素抑制SN活動，使發(fā)聲練習和表演之間的快速轉換成為可能，與涉及多巴胺信號的模型相反(盡管不能排除非d1信號)。對于面對觀眾表演的因素還沒有完全理解，但可能包括激勵、動機和獎勵。更具體地說，去甲腎上腺素信號在緊張和興奮的情況下會升高，比如在觀眾面前表演。此外，雄雀對雌雀唱歌時更具有動力，這種動力可以在不失去準確性的情況下提高運動的活力和速度。

求愛是有潛在回報的，而回報情境會抑制運動的變異性。不管這些因素是如何促進唱歌表現的，這項研究結果表明SNs驅動著唱歌的變異性，而不單單是被動地接收皮質-BG通路中其他部位產生的變異信號。此外，雖然sBG之外的區(qū)域也有助于歌曲變異性，并提供去甲腎上腺素可以影響歌曲的位點，但鑒于BG是運動表征和強化信號匯聚的位置，從而實現運動學習，確定SNs產生和調節(jié)歌曲可變性非常重要。

展  望
跟據實驗結果推測，豐富的SNs將使我們能夠在毫秒級的時間尺度上探索高維的人聲空間。這里使用的聯合建模表明，SN神經群活動模式的自然變化可以與鳴聲的差異聯系起來，揭示了SN活動模式和鳴聲變化之間復雜但可識別的映射。因此，SN合奏的動態(tài)對練習中的聲樂探索有意義的影響，而去甲腎上腺素依賴抑制這些動態(tài)使求偶期間的刻板和精確的歌曲表演成為可能。

參考文獻:

Jonnathan A, Jack G, Valerie M, William L, Jordan H, Timothy G, John P, Richard M. Neural dynamics underlying birdsong practice and performance, Nature(2021), https://doi.org/10.1038/s41586-021-04004-1

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