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杜克大學:鳥類唱歌和人類說話非常相似

時間:2019-10-14

美國杜克大學神經學生物學家埃里希·賈維斯(Erich Jarvis)的辦公室里全是鳥類書籍,但他成為飛行類動物家族樹專家并非因為對有羽毛鳥類的獨特興趣,而是對人類大腦如何理解和產生言語的著迷導致他開始研究鳥類。

“我們早已知道鳥類的歌唱行為類似于人類的言語——雖然并非完全相同但非常相似——且兩者的大腦回路也是相似的,”杜克大學醫學院神經生物學副教授、霍華德休斯醫學研究所的調查員賈維斯這樣說道。“但我們并不知道這些特征的相同是否是因為具有相同的基因。”

鳥類唱歌和人類說話非常相似

現在科學家們知道這一問題的答案是肯定的——鳥類和人類本質上具有相同的語言基因。一支國際科學家小組對代表鳥類家族樹每一個重要等級的48個鳥類物種的全部基因組進行了測序和對比,賈維斯和他的同事發現黃鶯、鸚鵡和蜂鳥的聲樂學習至少進化了兩次或者三次。更令人震驚的是這些聲音創新所涉及的基因組竟然與人類言語能力進化所涉及的基因存在不可思議的相似性。

這項發現屬于12月12日科學日刊上發表的8篇科研文章以及幾乎同時發表在期刊《基因組生物學》、《大數據科學》和其它期刊上的21篇文章。賈維斯是其中20多篇文章的合作作者,并且是其中8篇文章的聯系作者。

賈維斯和中國華大基因國家基因庫和丹麥哥本哈根大學的張國杰(Guojie Zhang)以及丹麥自然歷史博物館的托馬斯·吉爾伯特(M. Thomas P. Gilbert)合作領導了鳥類學協會。賈維斯在杜克大學的實驗室貢獻了樣本準備、基因組的測序和注解,并進行了整個項目的分析和協調。

位于杜克大學西校區布萊恩研究大樓的賈維斯實驗室準備了很多物種的DNA——這主要是從全世界各地的博物館和其他研究機構在過去30年間收集的冰凍鳥類尸體中抽取的。為了確保測序的DNA的確屬于金領嬌鹟,實驗室保持一塵不染,很多工具只被使用過一次,以避免隨后被污染的可能性。

“我們經常換手套,” 實驗室研究分析員卡羅爾·派倫特(Carole Parent)這樣說道。他為項目的下一階段設立了DNA隔離管道以測定更多鳥類,并指導了一組杜克大學本科生和東教堂山高中一名學生進行樣本準備。

這些一絲不茍辛勤的工作終于為賈維斯和全世界幾百名同事帶來了好消息:他們打開了中國華大基因產生的前所未有的大量基因數據。48個鳥類物種全套基因組的對比需要使用美國伊利諾伊大學和德克薩斯州大學科學家們編寫的新算法,后者在美國三臺超級電腦上運行了400年的CPU時間。發表的29篇科研文章涵蓋了方方面面,從企鵝的進化到色覺,其中有八篇與鳥類唱歌有關。

發表在12月《科學》上的12篇文章中,其中一項研究發現聲樂學習的鳥類和人類大腦里大約有50多個基因較為一致的表現出較高或者較低的活動水平。而這些改變并未出現在不具備聲樂學習的鳥類大腦里,或者非人類、無法說話的靈長類動物大腦里,根據賈維斯帶領的杜克研究小組表示。研究小組成員還包括計算機生物學和生物信息學(CBB)博士研究生安德列亞斯·芬尼(Andreas Pfenning)和計算機科學、統計科學和生物學教授亞歷山大·哈特明克(Alexander Hartemink)。

“這意味著從涉及唱歌和言語的大腦區域的基因角度看,相比其它鳥類和靈長類動物,聲樂學習的鳥類和人類之間更相似。” 賈維斯說道。這些基因涉及在運動皮質神經元與控制產生聲音的肌肉的神經元之間形成新連接。

另一名計算機生物學和生物信息學博士生王瑞(Rui Wang)進行的對比研究調查了控制唱歌和言語的大腦區域里涉及的一對基因的特定活動。這項發表在期刊《比較神經學》上的文章發現聲樂學習的鳥類在學習聲樂的少年期時,其中一個大腦區域里的這些基因被上調或者下調,這些變化會持續到成年期。這項研究以及芬尼的研究提出假設認為這些基因的變化可能對鳥類唱歌和人類言語的進化至關重要。

“你可以在所有物種的基因組里發現相同的這些基因,但是它們在聲樂學習鳥類或者人類的特定唱歌或言語的大腦區域里的活動水平更高或者更低。” 賈維斯解釋道。“這表明,至少我認為,學習聲樂的進化過程中,大腦回路的進化方式可能非常有限。”

由杜克大學博士后研究員奧西奧拉·惠特尼(Osceola Whitney)、芬尼、哈特明克和神經生物學副教授安妮·韋斯特(Anne West)帶領進行的發表在《科學》上的另一項研究關注于唱歌過程中,大腦不同區域基因的激活。研究小組發現在唱歌時被表達的基因組中有10%被激活,而聲樂學習的不同大腦區域具有多樣化的激活模式。多樣化的基因樣式可以通過不同大腦區域基因組的后生差異來解釋,這意味著在鳥類唱歌時,不同大腦區域的單個細胞可以即刻調節基因。

在聲樂學習鳥類的三大主要群體里,鸚鵡因模擬人類語言的能力而尤為獨特。賈維斯實驗室的博士后研究莫克塔·查克拉波爾迪(Mukta Chakraborty)帶領進行的一個項目調查了某些特定基因的活動,結果發現鸚鵡言語中心的組織有所不同。它具備研究人員所謂的“唱歌系統內的唱歌系統”,也就是具有不同基因活動以產生唱歌的大腦區域具有一個外環,而后者的基因表達存在更多差異。

查克拉波爾迪表示鸚鵡是非常社交的動物,它具備快速學會鸚鵡語言里的“方言”的能力,這或可以解釋它們超負荷的語言中樞。在鸚鵡物種里,它們外層區域或者稱“殼”較大,據稱這表明它們具有較高的聲音、認知和社會能力。這些物種包括亞馬遜鸚鵡、非洲灰鸚鵡和藍黃金剛鸚鵡。

賈維斯還參與了一項與俄勒岡健康與科學大學的克勞迪奧·梅洛(Claudio Mello)以及他的博士研究生摩根·沃斯林(Morgan Wirthlin)的合作研究,這篇發表在期刊《英國醫學委員會—基因組學》(BMC Genomics)上的研究發現鳴禽的聲音控制區域具有10多個獨特的基因。

由張、吉爾伯特以及賈維斯合著的另一篇發表在《科學》上的文章發現與其它鳥類物種相比,聲樂學習鳥類的基因組能夠更快速的進化,并具有更多染色體重排(chromosomal rearrangements)。這一基因組對比還發現了不同鳥類大腦聲樂學習區域里獨立發生的相似變化。

賈維斯表示對鳥類言語進化歷史的更多了解會促進聲樂學習鳥類成為更有價值的生物體模型,這或可能幫助解答賈維斯和其它研究人員提出的有關人類言語的問題。

“研究人類大腦里的言語非常困難,” 賈維斯說道。“鯨魚和大象也會學習言語和歌曲,但它們體型巨大不方便放在實驗室內進行研究。現在我們對鳴禽大腦區域與人類言語區域從基因角度存在的相似度有了更深層次的了解,這使得它們能夠成為更好的模型。” 賈維斯在杜克大學對鳥類大腦進行了16年的普遍探索產生了某些與唱歌無關的意外發現。

2005年,他和同事發現候鳥大腦的一個中心使得候鳥能夠通過“夜視” 感知磁場。同年他還帶領進行了對鳥類大腦組織和脊椎動物大腦進化的理解的修正。去年,他帶領進行了對鳥類大腦地形的重新繪制,這是基于對8個鳥類物種23個大腦區域里52個活躍基因的分析。最新的地圖顯示鳥類大腦里神經元的分組是按列分布的,與人類和其它哺乳動物的大腦一樣。此外賈維斯還了解和研究了促使老鼠能夠以超聲波的形式“唱歌”的大腦結構。

賈維斯表示鳥類學協會的第一波發現僅僅是令人激動的基因分析學新紀元的開始。國際科學家小組已經準備從全基因組的角度對更多鳥類進行基因測序。“這真是令人激動的一刻,” 杜克大學腦科學研究所成員賈維斯這樣說道。“更廣泛的采樣獲得的基因數據解決了很多基本問題。我參與這一項目純粹是出于我對鳥類作為聲樂學習以及人類言語產生的一個模型的興趣,它開啟了大腦進化里某些不可思議的新展望。”

自 鳳凰科技

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