Nature文章：Inscopix成像研究揭示鳥鳴練習(xí)和表演的神經(jīng)動力學(xué)原理

美國杜克大學(xué)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(xí)和表演的神經(jīng)動力學(xué)原理。通過使用Inscopix自由活動鈣成像顯微鏡記錄基底神經(jīng)節(jié)中的棘神經(jīng)（SNs）的活動，發(fā)現(xiàn)在唱歌練習(xí)期間，基底神經(jīng)節(jié)中的棘神經(jīng)(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(qiáng)烈地抑制，并且在練習(xí)過程中抑制SNs，會強(qiáng)烈地減少發(fā)聲的可變性。

摘  要

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

研究人員表明，在唱歌練習(xí)期間，基底神經(jīng)節(jié)中的棘神經(jīng)(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(xiàn)的表演中，SN鈣信號被強(qiáng)烈地抑制，并且在練習(xí)中通過光遺傳抑制SNs，會強(qiáng)烈地減少發(fā)聲的可變性。無監(jiān)督學(xué)習(xí)方法表明，特定的SN活動模式映射到不同的歌曲練習(xí)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(xí)過程中，SN組合編碼和驅(qū)動發(fā)聲探索，而去甲腎上腺素能對SN活動的抑制促進(jìn)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(dú)處時(也就是在練習(xí)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(jīng)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(yùn)動相關(guān)活動

目前對于“SN組合是如何在實(shí)踐中編碼變異性的，以及它們的活動是如何被動態(tài)調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)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(dá)GCaMP7f的SNs，觀察這些神經(jīng)元在成年雄雀自由歌唱時的變化(圖1a-c)。當(dāng)雄性在獨(dú)自唱歌時，SNs群顯示出動態(tài)的活動模式，活躍神經(jīng)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(jīng)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(yùn)動和其他非聲樂運(yùn)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(yīng)，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(yùn)動相關(guān)活動。
 

圖1 SN神經(jīng)群活動是特定于歌曲的和可變的

唱歌相關(guān)活動的主要來源是唱歌前運(yùn)動核HVC中的投射神經(jīng)元(PNs)。與SNs相比，HVC PNs在1天內(nèi)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(guān)的活動模式與整個演唱的平均值相似。因此，在實(shí)踐中可變的SN活動不是成像偽影或繼承自HVC。

2.SN活動導(dǎo)致聲音變異性

當(dāng)雄性從練習(xí)轉(zhuǎn)換到面對雌性的歌曲表演時，SNs的活躍度明顯下降，大多數(shù)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(yùn)動無關(guān)，也不是光漂白的原因，因?yàn)樵诔�歌過程中，雌性的交替出現(xiàn)會有效且可逆地減少SN的活性。當(dāng)雄性在唱歌練習(xí)和表演之間交替時，HVC細(xì)胞及其sBG軸突末端的歌唱相關(guān)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(qiáng)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(dǎo)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(jīng)元中選擇性地表達(dá)了抑制性視蛋白ArchT。通過組織學(xué)證實(shí)，蒼白球投射神經(jīng)元中的ArchT表達(dá)是由CAG而不是CaMKII啟動子驅(qū)動的，并且，無論是哪一個啟動子，用綠光照亮sBG都強(qiáng)烈抑制了神經(jīng)活性(圖2h)。在無定向歌曲表演的隨機(jī)子集(15-30%)中，通過光遺傳學(xué)抑制SN或sBG神經(jīng)元活動，降低了目標(biāo)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(nèi)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(xí)中抑制SN或sBG神經(jīng)元的活動可以重現(xiàn)面對雌性歌唱的幾個聲學(xué)變化特征。
 

圖2 SN活動導(dǎo)致聲音變異性

3. SNs產(chǎn)生的動態(tài)活動模式與音高變化有因果關(guān)系

斑胸草雀的鳴叫聲由幾個頻譜復(fù)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(biāo)來概括。因此，研究人員通過模擬sBG合奏活動與實(shí)際歌曲主題中的聲學(xué)結(jié)構(gòu)之間關(guān)系來研究歌曲可變性背后的神經(jīng)編碼。作者首先使用了變分自動編碼器(VAE)，一種無監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)模型，將聲譜圖數(shù)據(jù)(n≈16000像素)壓縮到低維(n = 32)潛在表示。這些潛在的維度構(gòu)成了對歌曲數(shù)據(jù)的簡潔描述，但保留了原始頻譜的豐富結(jié)構(gòu)。研究人員發(fā)現(xiàn)，具有更多相關(guān)感興趣區(qū)（ROI）活動也傾向于具有更高的聲學(xué)相似性，如通過在VAE學(xué)習(xí)的潛在空間中較短的距離進(jìn)行量化，將SN活動模式的變異性與歌曲的變異性聯(lián)系起來。然后VAE聯(lián)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(xué)習(xí)的表征在訓(xùn)練中彼此一致。相對于控制模型，該聯(lián)合編碼模型具有正向預(yù)測能力(圖3b)，表明聲學(xué)和神經(jīng)數(shù)據(jù)之間存在共享信息。此外，當(dāng)配對、保留的神經(jīng)和聲音數(shù)據(jù)單獨(dú)編碼并沿著VAE潛在空間中的共享可變性軸投影時，產(chǎn)生的表征比所有情況下隨機(jī)數(shù)據(jù)配對產(chǎn)生的表征具有更強(qiáng)的相關(guān)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(guān)系，以及編碼歌曲回合中后續(xù)主題數(shù)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(guān)系。然而，當(dāng)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(yù)測性能。因此，聯(lián)合模型的表現(xiàn)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(xué)結(jié)構(gòu)變化之間的相關(guān)性。

接下來，研究人員探討了神經(jīng)活動與通過聯(lián)合模型發(fā)現(xiàn)的鳴叫之間的關(guān)系。使用模擬的神經(jīng)-聲音數(shù)據(jù)對來生成對比頻譜圖和神經(jīng)活動圖(圖3d)，描繪了沿著這些共享軸(圖3c，品紅到綠色)運(yùn)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(xué)習(xí)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(guān)系，表明SN群映射了不同的神經(jīng)群活動的不同變體映射到聲樂輸出中可識別的高度結(jié)構(gòu)化變化。
 

圖3 SN神經(jīng)群活動和歌聲聯(lián)系的聯(lián)合神經(jīng)-行為的建模方法

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

這些發(fā)現(xiàn)表明，LC神經(jīng)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(dú)自唱歌時更活躍。

首先，研究人員確認(rèn)測量sBG中即時早期基因Fos表達(dá)的場景差異，并將這一分析延伸到LC中，發(fā)現(xiàn)雌性唱歌時Fos表達(dá)更高。此外，LC中的Fos表達(dá)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(jié)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(lián)系起來。在歌唱練習(xí)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(qiáng)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(nèi)流的大變化相對應(yīng)，而鈣內(nèi)流的大變化又可能導(dǎo)致基因表達(dá)的明顯場景依賴性變化。

這項研究還證實(shí)去甲腎上腺素抑制SN活動，使發(fā)聲練習(xí)和表演之間的快速轉(zhuǎn)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(jī)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(zhǔn)確性的情況下提高運(yùn)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(yùn)動的變異性。不管這些因素是如何促進(jìn)唱歌表現(xiàn)的，這項研究結(jié)果表明SNs驅(qū)動著唱歌的變異性，而不單單是被動地接收皮質(zhì)-BG通路中其他部位產(chǎn)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(diǎn)，但鑒于BG是運(yùn)動表征和強(qiáng)化信號匯聚的位置，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動學(xué)習(xí)，確定SNs產(chǎn)生和調(diào)節(jié)歌曲可變性非常重要。

展  望
跟據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(lián)合建模表明，SN神經(jīng)群活動模式的自然變化可以與鳴聲的差異聯(lián)系起來，揭示了SN活動模式和鳴聲變化之間復(fù)雜但可識別的映射。因此，SN合奏的動態(tài)對練習(xí)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(xiàn):

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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