神经科学家借助新技术与工具，监测斑胸草雀的脑回路，以更好地理解练习与表现之间的关系。
研究表明，练习有助于大脑探索发出指令和协调身体运动的不同方式。
这一发现可能对人类运动障碍（如帕金森病）的研究具有启示意义。
正如职业运动员或音乐会钢琴家每天练习，以磨练和完善身体动作，从而在关键时刻发挥最佳水平一样，雄性斑胸草雀在其清醒的大部分时间里，都在随意鸣唱并变换其求偶叫声的细微变化。
然而，当比赛进入关键时刻——具体而言，当一只有吸引力的雌性斑胸草雀飞落在附近时——便是正式登场的时候，雄鸟将以经过练习的精准与速度演唱其歌曲。
如今，得益于多项新工具，包括能够同时监测上百个神经元的能力以及强大的机器学习分析手段，杜克大学的神经科学家得以观察到控制这种鸟类练习与表现的大脑回路。
核心要点：在“比赛时刻”，前脑的一个区域——基底神经节（该区域支配所有脊椎动物的复杂运动）——释放出一股神经递质去甲肾上腺素，从而抑制歌声中的变异，使其尽可能接近理想状态。相关研究成果于10月20日发表在《自然》杂志上。
当鸟类为自己而歌唱时，这些基底神经节神经元会允许歌声存在一定程度的变异，研究人员认为，这对于“绘制”回路图谱并找到发出歌声的最佳方式至关重要。
“要弄清楚如何运动，大脑首先需要尝试许多不同的动作，尝试为实现身体运动目标而采用的各种不同方式，”杜克大学博士论文项目的负责人乔纳·辛格·阿尔瓦拉多说，“它们需要学习：‘如果我这样想，我接下来会如何运动？这将如何带动我的身体？’而且这种学习需要通过多种变化来完成。”
“在多次完成任务之后，你便建立起一种大脑与运动之间的‘词典’，你已探索了所有你能发出指令、让身体运动的不同方式，”现任哈佛大学博士后研究员的阿尔瓦拉多说，“然后，你便可以利用你所建立的映射关系：‘我已经探索过了，我拥有这本词典，让我从词典中挑选出正确的词语，精确地表演我所知道自己能够完成的动作，并契合我所知道的雌鸟想要听到的内容。’”
阿尔瓦拉多表示，大量练习对于保持歌声的良好状态至关重要。“如果它们不通过持续活动来不断打磨这些回路，这些回路就会慢慢偏移并退化。持续练习、继续探索这一声音空间，并保持其‘词典’的更新，对于使表演保持最佳状态非常重要。”
杜克大学医学院神经生物学教授、阿尔瓦拉多的论文导师理查德·穆尼说，练习歌曲与求偶表演之间的差异对于人类观察者而言极其细微，几乎无法察觉。但雌性斑胸草雀能够辨别，并且它们偏爱快速的表演。通过扬声器播放的练习歌曲无法引起它们的兴趣，而迅捷精准的“比赛时刻”歌声则会促使它们循声查看声音来源。
“鸣禽为我们简化了这一问题，”阿尔瓦拉多说。在鸣禽基底神经节中专门化的歌声回路中，每个神经元只负责一项任务。
但即便是这样相对简单的大脑，也给研究团队带来了巨大的计算难题。
“在其他动物身上，有一件事一直非常困难，那就是弄清楚你所产生的变异与你希望产生的变异之间的联系，”杜克大学生物统计学与生物信息学助理教授约翰·皮尔森说，他负责对这些神经元进行统计分析，“这是人们首次获得如此大规模的此类细胞群，我们因此可以开始尝试将发声表现的变异与神经活动的变异联系起来。”
穆尼自称是吉他手吉米·亨德里克斯的忠实粉丝，他表示，在亨德里克斯那些随性录制的四轨客厅录音带中，他曾听到过这类排练。“它几乎无所不包，一首歌的核心若隐若现，但随后又逐渐变形。有点像自由爵士之类的东西。而且，你知道，我认为他在独处时探索的能力真的非常、非常出色。”
阿尔瓦拉多说，这种运动排练适用于任何正在练习的技能。“但接下来，会有一个时刻，你必须在高风险情境中付诸执行——这可能是捕食的情境，例如逃离捕食者或捕捉猎物；也可能是求偶的情境：此时是表演的时刻，我们需要以一种非常特定的方式完成表演，因为我们知道对方正在倾听。”
穆尼已研究鸟类鸣唱数十年，他表示，这项研究借鉴了多种不同领域的科学专业知识，包括加州大学伯克利分校和俄勒冈大学的同事们的贡献。“要把所有这些部分都梳理清楚，需要许多不同的人共同努力。这是一个宏大且非常复杂的故事。”
穆尼表示，这项研究之所以重要，是因为对鸟类基底神经节的深入了解与人类运动障碍直接相关，包括帕金森病和亨廷顿病、图雷特综合征等。
“在帕金森病中，运动变异功能失调且完全失去调控，而这正是由于这些相同的基底神经节回路发生退化所致，”阿尔瓦拉多说，“理解（基底神经节神经元）如何正常工作，以及它们的活动如何发生改变并重新连接，从而产生完全不同的运动模式，对于理解未来如何真正解决这些问题而言，极为关键，”他说。
该研究获得了美国国立卫生研究院（R01NS118424 和 R01NS099288）的资助。
引用文献：《Neural dynamics underlying birdsong practice and performance》，Jonnathan Singh Alvarado、Jack Goffinet、Valerie Michael、William Liberti III、Jordan Hatfield、Timothy Gardner、John Pearson、Richard Mooney。《自然》，2021年10月20日。DOI: 10.1038/s41586-021-04004-1
