Science：科学家首次成功向鸟类植入记忆，“教”会鸟儿唱歌
发布时间：2019-10-18近日，德克萨斯大学西南分校的一个研究小组首次成功地向鸟类的大脑植入了记忆，让鸟类在无教导的情况下学会新曲调。相关论文发表在《科学》(Science) 期刊。
大多数斑胸草雀是通过模仿父母的歌声来学习唱歌的，但科学家们通过操纵鸟类用来学习歌唱的大脑区域，将斑胸草雀从未听过的歌曲的记忆植入到小鸟的大脑中。
具体来说，科学家们使用光遗传学操纵鸟类大脑中与听觉经验学习有关的两个区域之间的相互作用，从而对其进行记忆编码。
光照射在某个神经元通路上的时间越长，鸟儿歌声的音节就越长。通过交替短时间和长时间的光照，研究人员教会了鸟儿 "歌曲的记忆"。
负责这项研究的Todd Roberts 说："这是我们首次确认了大脑中负责编码行为目标记忆的区域，这些记忆在我们想模仿学习任何事情时都能起到指导作用，例如学习语言、学钢琴，等等。
- 用光遗传学操纵大脑，植入记忆教会小鸟唱新歌
斑胸草雀的歌声由一系列的音节组成。斑胸草雀通常通过记住它们父亲的歌声来学习唱歌，然后慢慢地学习模仿。
Todd Roberts 和他的同事们致力于研究记忆是如何在大脑中编码的 —— 尤其是那些指导语言和社交技能发展的记忆。
之前的研究已经表明，鸟类大脑中一个叫做HVC 的区域对学习歌曲很重要，干扰它的活动会影响鸟类学习歌曲的能力。这个区域接收来自另一个叫做NIf 的区域的输入，这个结构中的神经元在音节的开头和结尾处发出信号。这表明这些神经元在编码音节长度方面起着一定的作用。
图1：歌曲学习和神经回路概述。(A) 幼年雄性斑胸草雀歌唱学习的时间线。(B) 成年斑胸草雀歌唱的谱图；(C) 听觉传导(蓝色) 和歌曲运动电路(橙色)。
为了进一步研究，Roberts 的团队使用光遗传学(optogenetics) 技术来控制NIf 和HVC 神经元之间连接或突触的神经活动。这涉及到将基因插入到神经元中，使它们能够被光控制，然后使用小型光纤电缆将光照射到选定的大脑区域。
图2：对NIf-HVC 通路的选择性操纵。(A) 左：向NIf 内注射病毒的示意图。右：穿过HVC 和NIf 的矢状旁切面，显示了通过向NIf 注入示踪剂标记的轴突末端。
研究团队对幼年雄性斑胸草雀进行了实验。这些斑胸草雀从未接触过会唱歌的成年斑胸草雀，但它们已经开始形成自己的歌声。研究小组在大约30 天后分析了最终乐曲中的不同之处。
当研究人员使用短脉冲光时，鸟儿就会发出短音节的歌声。通使用长脉冲光时，这些鸟儿发出了长音节的歌声。
图3：光遗传学方法指引影响歌曲时间结构的学习。
如图3 所示，研究人员测试了操纵HVC 中NIf 轴突末端的活动是否可以植入行为目标记忆。他们使用光脉冲进行指引，旨在让小鸟在歌曲感觉学习阶段模仿短音节元素。而当实验小鸟单独在室内时，光刺激按自然歌曲教学模式的时间间隔进行。
Roberts 说："我们在小鸟大脑中发现了一条通路，如果激活它，它可以在音节的持续时间内植入错误的记忆，而这只鸟没有与另一只鸟有过接触。"
图5：实验显示，光遗传学方法教鸟儿唱歌由于自然学习。
音节长度只是斑胸草雀必须学习的一个方面。其他特征，如音高和音节组合成音序，可能更难编码，但研究团队希望最终也能植入这些特征。
- 如果可以，你希望向大脑植入什么记忆？
与人类语言学习相关的数十个基因在鸟类中表现出了类似的活动模式。鉴于这些相似之处，Roberts 认为，鸟类大脑中声音学习的机制可以作为理解动物如何从社会经验中学习的模型。
他说："我们可以利用这些信息来确定在自闭症等神经发育疾病中，大脑中哪些回路特别受影响。"
之前的一项研究表明，我们可以将记忆植入小鼠中，从而让它们期待在特定的地方找到奖赏。
虽然这项研究令人印象深刻，但这并不意味着我们现在可以在人类大脑里植入记忆了 —— 这仍然是科幻小说。将这种技术应用于人类还有很长的路要走，但该研究或能帮助人类改变与心理创伤相关的记忆。这项研究也可能会让我们找到一种新的方法，来识别影响我们说话和发声方式的人脑部位。
Roberts 说："人类大脑中与语音和语言相关的通路比鸟类的要复杂得多，但我们的研究为更多关于神经发育障碍的研究提供了强有力的线索。"
论文地址：https://science.sciencemag.org/content/366/6461/83
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来源：新智元
