本文与 MIT News合作发表。
雄性斑胸草雀是原产于澳大利亚中部的小型鸣禽，它们通过模仿从父亲那里听到的声音来学会鸣唱。这些歌声常被用作求偶叫声，在幼鸟尝试模仿所听到的声音时，于生命早期逐渐形成。
麻省理工学院的神经科学家现已揭示支持这一学习过程的大脑活动。编码鸟类第一个音节的神经活动序列被复制并略作改变，使鸟类能够发出原始音节的若干变体。最终，这些音节被串联成鸟类标志性的鸣叫，并且该鸣叫终生保持不变。
“这里的优势在于，要学习新的音节，你并不必从零开始。你可以复用已经学会的内容，并稍作修改。我们认为，这是学习各种类型音节的一种高效方式，”前麻省理工学院研究生、该研究第一作者Tatsuo Okubo说道，该研究于11月30日在 《Nature》在线版发表。
Okubo和他的同事认为，这种神经序列复制的方式也可能是其他类型运动学习的基础。例如，用于挥动网球拍的序列可能会被重新用于类似的动作，比如打乒乓球。“这似乎是一种让序列得以学习并被重复利用的方式，适用于任何涉及时序的活动，”麻省理工学院研究生、该论文的合著者Emily Mackevicius说道。
论文的资深作者是Michale Fee，他是麻省理工学院脑与认知科学教授，同时也是麦戈文脑科学研究所成员。
开始鸣唱
Fee实验室此前的研究发现，大脑皮层中一个被称为HVC的区域对鸣唱的产生至关重要。
通常，每段鸣唱持续约一秒，由多个音节组成。Fee实验室发现，在成年鸟类中，HVC中的单个神经元会在鸣唱的某一特定时刻出现极为短暂的爆发式活动，约10毫秒或更短。不同神经元组在不同时间活跃，整段鸣唱便由这一连串的爆发序列所表征。
在新的 《Nature》 研究中，研究人员想要弄清这些神经活动模式在刚孵化的斑胸草雀中是如何发展的。为此，他们记录了鸟类孵化后长达三个月内HVC神经元的电活动。
斑胸草雀在孵化后约30天开始鸣叫，最初只发出无意义的音节，即“亚鸣唱”，类似于人类婴儿的牙牙学语。起初，这些音节的持续时间变化很大，但约一周后，它们转变为更为稳定的声音，称为“原音节”，每个原音节持续约100毫秒。每只鸟都会学会一个原音节，它构成了后续音节的框架。
研究人员发现，在HVC内部，神经元以一系列短暂爆发的序列放电，这些序列对应于每只鸟最初学会的原音节。HVC中的大多数神经元都参与这一原始序列，但随着时间推移，其中一些神经元会从原始序列中分离出来，形成一个新的、非常相似的序列。这种神经序列链可以被重新利用，以产生不同的音节。
“从这一短序列出发，它会分裂为用于新音节的新序列，”Mackevicius说，“它起始于那条包含大量冗余的短链，然后分出一些神经元用于音节A，另一些神经元用于音节B。”
研究人员发现，这种神经序列的分裂会反复发生，直至鸟类能够发出三至七个不同的音节。整个过程大约需要两个月，此时每只鸟都已确定了其最终的鸣叫。
“这是运动模式演变的一种非常自然的方式：重复某个模式，然后加以塑造。但在此之前，没有人掌握任何良好的数据来理解大脑究竟是如何做到这一点的，”未参与该研究的Hunter College心理学教授Ofer Tchernichovski说道。“这项研究的精彩之处在于，他们成功追踪了大脑中枢如何支配从简单重复模式向更复杂模式的这些转变。”
通过复制实现进化
研究人员指出，这一过程与人们认为在进化过程中驱动新基因和新性状产生的机制相似。
“如果复制一个基因，那么该基因的两个拷贝可能分别发生不同的突变，并最终执行不同的功能，”Okubo说，“运动程序也是如此。你可以复制该序列，然后独立地修改这两个子运动程序，使它们各自能够完成略有不同的动作。”
Mackevicius目前正在研究大脑中负责声音处理的区域向HVC输入的信号，如何促成这些神经序列的形成。
刊发文章不代表世界经济论坛认同文中观点。
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作者：Anne Trafton是《麻省理工学院新闻》的特约撰稿人。
图片：一只棕尾蜂鸟（Amazilia tzacatl）在圣何塞的一棵树上筑巢。路透社/Juan Carlos Ulate。
