金丝雀唱歌的“语法”破解了小小大脑的秘密

作者:李彤馨/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-06-28

研究金丝雀歌曲制作的神经基础或许能让人们了解当大脑回路受损时,工作记忆的机制如何适应新的条件。

新的研究表明,当金丝雀唱歌时,它能保留前5到10秒内发出音符的记忆痕迹,这个过程允许金丝雀能够唱出带有长规则或结构类似句子的歌曲。

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图自unsplash

在该项目中,研究人员使用微小的头戴式微型显微镜,来跟踪位于金丝雀高发声中枢输出神经元的活动,那是参与歌曲运动控制的大脑区域。

在早期的研究中,研究人员已经识别出了这些神经元在鸟类这些简单的唱歌动物身上的活性,揭示了在任何有机体中观察到的最精确的神经活动模式之一。

当研究人员将同样的方法应用于更复杂的金丝雀歌曲时,他们看到神经元在特定连续背景下被激活,激活的规则在四秒钟内跨越了多达四十个音节。

俄勒冈大学菲尔分校和佩妮·奈特校区神经工程系Tim Gardner认为,这项研究为理论上的大脑“隐藏状态”打开了一扇窗户,这是一种将过去的信息与正在进行的运动控制相结合的短期记忆形式。

Gardner表示,在金丝雀上研究短期运动记忆为研究受控模型系统中高水平运动现象提供了机会,这就像在研究氢原子出现之初如何帮助破解量子力学密码。

他说道:“你想用最简单的模型来研究一个新现象,那么这么模型必须要捕捉到问题的本质。我们通常用类似的方式来观察黄莺。鸟鸣声是一种可以量化的行为。感觉运动的学习占据了大脑50%的活动。这是对感官和行动的整合,从而可以有效控制运动,在不同的情况下发声。”

众所周知,黄莺会为其“唱歌导师”形成详细的感官记忆,并利用这个记忆,在几个月内来指导自己歌曲的发展,以配合其“导师”的歌曲。然后,在这项新的研究之前,并没有证据表明歌曲的短期记忆可以成为更复杂歌曲规则的基础。

“这些鸟儿创作的歌曲包含了数百个音节,它们正利用前一首歌曲音节的短期记忆,来指导下一首歌曲的元素选择,”主要作者、哈佛医学院马萨诸塞州总医院神经外科研究院Yarden Cohen说道。

“它们创造了一个复杂的语法,其长期规则类似于人类的行为属性,如演讲、舞蹈和演奏乐器,”Cohen说道,“我们发现,它们的歌曲的创作路径反映了其复杂语法所需要的工作记忆。”

Gardner表示,这为研究短期记忆的原理提供了一种新方法。

Gardner补充道:“如果你思考一下语言的本质,那么你会知道,下一步选择说什么其实是以工作记忆作为指导的,这些记忆将不同的时间尺度集合在一起,从为什么要讨论这一事件,到如何在不同环境使用不同的语法规则。而金丝雀的歌曲要简单得多,但它也遵循了长语法规则,如我只有在五秒前唱了音节A而不是音节B的情况下,我才会唱音节D。”

他表示,这种深层的结构包含了简单的相似性,即句子的结尾取决于句子的开始方式。在这两个系统中,发声的过去和未来部分之间的相关性便需要一种短期记忆。

Gardner表示:“很明显,许多细胞规则构成了学习和记忆的基础,它们是非常保守的。如松鸟的基底性神经质中有一些细胞,其活动模式与啮齿动物的活动模式极其相似。虽然它们的大脑结构可能不同,但细胞水平上表达的基本计算是相同的。”

Gardner会继续使用研究中获取到的工具。他认为,在理想情况下,该研究不仅能增进对复杂行为的理解,还有助于增强机器学习方法。

他说:“我们在金丝雀这一研究中看到的许多内容,都类似于用于语音识别和一般人工智能算法的计算模型。SIRI和谷歌助理网络中所使用的语音算法也用到了从金丝雀中所了解到的这些类型的隐藏状态。”

最终,研究金丝雀歌曲制作的神经基础或许能让人们了解当大脑回路受损时,工作记忆的机制如何适应新的条件。Cohen补充道,开发这样一个模型可能会为治疗由帕金森氏症和阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病带来的语言和理解障碍提供新的帮助。


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