鸟类基因组及演化生物学研究

鸣禽与人类的大脑趋同演化

文章引用

Andreas R. Pfenning, Erina Hara, Osceola Whitney, Miriam V. Rivas, Rui Wang, Petra L. Roulhac, Jason T. Howard, Morgan Wirthlin, Peter V. Lovell, Ganeshkumar Ganapathy, Jacquelyn Mouncastle, M. Arthur Moseley, J. Will Thompson, Erik J. Soderblom, Atsushi Iriki, Masaki Kato, M. Thomas P. Gilbert, Guojie Zhang, Trygve Bakken, Angie Bongaarts, Amy Bernard, Ed Lein, Claudio V. Mello, Alexander J. Hartemink, and Erich D. Jarvis Science, 'Convergent Transcriptional Specializations in the Brains of Humans and Song Learning Birds', Science (2014).

英文摘要

Song-learning birds and humans share independently evolved similarities in brain pathways for vocal learning that are essential for song and speech, not found in most other species. Comparisons of brain transcriptomes of song-learning birds and humans relative to vocal non-learners identified convergent gene expression specializations in specific song and speech brain regions of avian vocal learners and humans. The strongest shared profiles relate bird motor and striatal song learning nuclei respectively with human laryngeal motor cortex and parts of the striatum that control speech production and learning. Most of the associated genes function in motor control and brain connectivity. Thus, we identify analogous brain regions between song-learning birds and humans, and find that convergent behavior and neural connectivity for a complex trait is associated with convergent specialized expression of multiple genes.

文章解读

鹦歌燕语之秘

文/李芳、易坚

众所周知,鹦鹉能模仿人类的说话。像鹦鹉这样具有声音学习能力的鸟类还有夜莺,蜂鸟,八哥,燕雀等。其中有些鸟能模仿其它鸟的声音,八哥和鹦鹉甚至可以模仿人类说话。但更多的其它鸟类只能单调地叽喳呕哑。

学术上将鸟类这种能够记忆并且模仿其它声音的能力称作鸣唱学习(Vocal learning)。要掌握鸣唱学习能力需要一套复杂的生理系统,比如,它们需要有可以发声的结构,需要能记住声音的记忆区域,需要能将已经学会的声音提取出来的能力,需要有将提取的声音模拟发出的能力。我们熟知的动物中,比如狗经过训练能够听懂我们的话,但是没有能力把我们声音模拟发出。而像鹦鹉、八哥等鸣唱学习能力很强的鸟类,通过训练可以掌握很多词语,并且能够说出所学会的词语。大家也很容易能想到,鸟类的鸣唱学习与人类的语言学习非常相似。

为了探究鸟类鸣唱学习能力背后的分子机制,研究人员比较了人类、恒河猴、具有鸣唱学习能力的鸟类和没有鸣唱学习能力的鸟类在大脑的不同区域的基因表达情况,期望找出与控制鸣唱学习能力相关的基因。

在人类大脑中,LMC区(Laryngeal motor cortex)控制发出已经学会的声音, Putamen区域与模仿、探索其它声音有关系,研究发现在鸣唱学习的鸟类中也有类似的区域。根据检测结果,研究人员发现像鹦鹉、夜莺这些鸣唱学习能力强的鸟类,它们大脑的RA (robust nucleus of the arcopallium)、AreaX区域分别和人类大脑的LMC、Putamen区域的基因表达模式相类似,其中有一些表达相似的基因能加强鸣唱学习区域和声带驱动神经的联系。

在表达模式相似的基因中,基因SLIT1引起了研究人员的注意,因为SLIT1在鸣唱学习能力强的鸟类大脑的RA区域和人类大脑的LMC区域表达量均显著下降,而在没有鸣唱学习能力的鸟和其它动物中则不会下降。从功能上看,SLITI是ROBO1基因的配体,SLIT1与ROBO1的结合会破坏轴突的合成。研究人员推测,声音学习能力强的物种通过降低SLIT1基因表达量,保证RA、LMC区域具有数量较多的神经连接,其中包括与声带运动神经的连接,从而让一些鸟和人类一样完成更复杂的声带运动,发出丰富的声音。

研究人员表示,通过研究这些和人类一样具有很强的声音学习能力的鸟类,可以进一步揭示声音产生和学习的机制,为研究人类的语言学习提供帮助,也有利于帮助语言障碍患者的治疗。

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