科学家们研究了大脑唱歌和学习的机制

新的研究表明，在鸣禽的神经回路中，触发复杂学习的特殊细胞与人类大脑皮层中与精细运动技能发展相关的一种神经细胞有着惊人的相似之处。

　　

新的研究显示，在鸣禽神经回路中，触发复杂学习的特殊细胞与一种与人类大脑皮层中精细运动技能发展相关的神经细胞惊人地相似。

俄勒冈健康与科学大学的科学家今天在《Nature Communications》杂志上发表了这项研究。

俄亥俄州立大学Vollum研究所的资深科学家、资深作者恩里克·冯·格斯多夫博士说:“如果你想让雄鸟的歌声精确而独特，这样雌鸟就可以选择她想与哪只鸟交配，这些都是你需要的特性。你需要一个高度专业化的大脑来生产这些。”

本杰明·泽梅尔博士是俄亥俄州立大学的博士后研究员，也是这项研究的主要作者，并进行了大多数具有挑战性的电生理学工作，包括使用薄脑组织切片和单细胞记录。

研究表明，一组特殊的神经元表达了一组调节钠离子通道蛋白的基因。这些离子通道产生用于神经系统细胞之间通信的电信号。在这种情况下，这种组合使神经元能够在鸟儿唱歌时以极高的速度和频率发出重复的尖峰信号——称为动作电位。

该研究描述的“超快峰值”仅持续0.2毫秒，而大多数动作电位峰值持续1毫秒或更长时间。一毫秒本身就快得令人难以置信，是千分之一秒。

此外，这些发现为理解人类行为和发展的各个方面的机制提供了新的途径，其中包括精细运动控制。

研究人员说，雄性斑胸草雀唱歌时所涉及的神经元和离子通道的组合，与人类大脑初级运动皮层中被称为Betz细胞的类似的神经元组合非常相似。

在人类已知的最大的脑细胞中，Betz细胞有又长又厚的轴突，可以以非常高的速度和频率传播尖峰。因此，它们被认为对手、脚、手指和手腕等精细运动技能很重要。

“想象一个钢琴演奏者，”俄亥俄州立大学医学院行为神经科学教授、资深合著者克劳迪奥·梅洛医学博士说。“思维如此之快，不得不依赖于学习和存储的记忆和动作。弹吉他也是一样的。”

今天发表的这项研究是一次非正式谈话的结果，最初是在俄亥俄州立大学马肯姆山校区的麦肯兹大厅Café午餐时进行的。

梅洛是一名行为神经学家，他以斑胸草雀作为动物模型，与冯·格斯多夫相识已有20年。

有一天，在自助餐厅吃午饭时，梅洛打开笔记本电脑，显示了一只刚会唱歌的年轻雄性斑胸草雀的大脑图像，接着是第二张图像，显示了一种蛋白质亚单位，这种蛋白质亚单位在斑胸草雀长大后开始唱歌才生产。

神经元电生理学和生物物理学专家冯·格斯多夫说：“在短短几天的时间里，发生了一些不同寻常的事情。这是我们在啮齿类动物听觉系统中研究的蛋白质。它促进高频尖峰。”

梅洛说，这项新研究加深了对精细运动技能学习机制的科学理解。

“这是一个非常重要的模型，我们认为这项新研究具有广泛的潜力，”他说。

冯·格斯多夫和梅洛说，3亿多年前分化的物种拥有相同的电机电路特性，这一事实说明了这一发现的力量。研究人员说，他们在雄性斑胸草雀身上发现的神经元特性可能会通过趋同进化优化速度和精度。

这也暗示了当连接出错时可能涉及的机制。冯·格斯多夫说，一些影响这些Betz细胞的基因突变可能会导致相对轻微的影响，如口吃，这可以通过学习来克服，而其他突变可能会产生更明显的影响，如肌萎缩侧索硬化症（ALS）等进行性疾病。

Resurgent Na+ currents promote ultrafast spiking in projection neurons that drive fine motor control