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        杜克大学神经科学家理查德·穆尼 （Richard Mooney） 在他位于达勒姆的家庭办公室里展示了一系列鸟大脑唱歌的图像。

         在其中一幅看起来像点彩画的画作描绘了一只年轻的斑马雀无数次尝试，让声音听起来更像一个成年人，能够追求配偶。 在另一个例子中，波浪线描绘了鸟大脑奖励回路中化学信号的起伏。

         “他们的歌声起初听起来并不多，”研究鸟鸣四十年的穆尼说。

        ：那是因为有些事情需要大量的练习才能掌握。 没有人第一次走进网球场，踢一场堪比温布尔登的比赛，也没有人拿起钢琴一夜之间成为演奏家。

         同样，在斑马雀中，雏鸟不会从发声开始发出它们标志性的颤音、啁啾声和窥视声。 他们需要一段时间才能掌握它。

         “幼鸟为掌握发声而付出的努力是巨大的，”穆尼说。 “他们每天需要大约一个月的扎实练习，每天最多 10,000 次。”

         年轻的雀类日复一日地坚持工作，即使没有人听。 他们精通的动力来自内心。 现在，新的研究揭示了他们学习歌曲的内在愿望背后的大脑信号; 它还对理解人类学习和神经系统疾病具有重要意义。

         感谢新的工具和技术，包括进步在机器学习和跟踪大脑中细微而快速的化学波动的能力方面，Mooney 和杜克大学神经生物学教授 John Pearson 开始解开驱动学习本身的分子信号。

         在 3 月 12 日发表在《自然》杂志上的新研究中，该团队将雄性幼年斑马雀放在单独的隔音房间里，在那里它们可以随意练习唱歌。

         在斑马雀中，只有雄性会唱歌; 幼鸟学习求偶通过首先仔细聆听他们的父亲并记住他的歌来唱歌。 然后，就像婴儿学说话一样，他们开始咿呀学语，他们的吱吱声慢慢变得更像歌声。 通过练习他们的歌曲和聆听结果，他们逐渐弄清楚如何产生正确的音符和节奏，以匹配他们对父亲歌曲的心理模板。

         斑马雀雏鸟从孵化到成为熟练的歌手大约需要三个月的时间。

         致 Mooney，一位历史悠久的摇滚乐队Roll Fan 的 Fan 乐队的练习有点像披头士乐队 （The Beatles） 的痴迷录音过程。 穆尼说，“披头士乐队可能已经拍了一百次了”，他们才满意。 同样，“这些鸟鸣数据集变得如此之大，如此之快。

        ：这就是 Pearson 的团队进来的地方。 为了处理数据，他们开发了一个机器学习模型，可以分析数千首歌曲并对每次尝试进行评分。

         “这样我们就可以每时每刻跟踪学习情况基础，“皮尔森说。

         “有些尝试好一点，有些更差一点，”他补充道。 一般来说，鸟儿工作的时间越长，它们就会变得越好。

         随着鸟类逐渐掌握它们的曲调，该团队还测量了鸟类基底神经节中释放的多巴胺水平，基底神经节是大脑中参与学习新运动技能的部分。

         多巴胺是大脑的化学信使之一，从一个大脑传递有关学习、奖励和动机的重要信号神经元分配给另一个。

         为了监测多巴胺，研究人员使用了由转基因蛋白质制成的微型传感器，当特定的神经化学物质在大脑中释放时，这些传感器会发光。 该技术可以跟踪基于测量电信号的常见方法基本上看不到的大脑活动。

         他们的发现让他们感到惊讶。 每当一只鸟练习时，鸟的基底神经节中的多巴胺水平就会开始上升。 他们是否击中所有笔记或错过了目标。 换句话说，任何唱歌的努力都会激活大脑奖励通路中的信号。

         当一只鸟的表现优于它们这个年龄的典型表现时，鸟儿的多巴胺激增得更多。 当他们回归时，信号略弱。

         他们在这个年龄的表现越好，多巴胺增加就越多，第一作者 Jiaxuan Qi 说，她在攻读博士学位时完成了这项工作。 在杜克大学学习神经生物学。 长期以来，

         多巴胺在人类和其他动物如何从外部奖励和惩罚中学习。

         以一个孩子为例，他们学习是因为他们想取得好成绩或避免被责骂。 或者考虑一只老鼠学习按压食物的杠杆。

         但是鸟类不需要胡萝卜或大棒来学习如何唱歌。 因为这些鸟在练习期间独自一人，在隔音室里唱歌，所以它们没有得到任何关于它们表现如何的外部反馈。

         “没有人告诉这只鸟是否在做优等生或将被送进拘留所，“穆尼说。 相反，研究结果表明，多巴胺就像一个内部的 “指南针 ”来引导他们的学习。

         该团队的研究有助于解释即使在没有外部激励的情况下，学习是如何发生的。 研究人员还发现，多巴胺并不是这种学习所需的唯一化学信号。

         Qi 能够证明另一种称为乙酰胆碱的化学信使可以触发多巴胺释放鸟的大脑在唱歌时。 它通过与神经元的不同部分结合来发挥作用，当鸟唱起它的歌谣时，它会得到额外的多巴胺提升。

         Qi 补充说，当给这些鸟服用阻断基底神经节中多巴胺或乙酰胆碱信号传导的药物时，这些鸟的进展会变慢。

         “学习基本上停滞了，”Mooney 说。 “这只鸟仍然经常唱歌，但它似乎无法从中学习。”

         潜在影响不仅限于鸟类大脑，穆尼说。

         “这些发现跨物种转化，”皮尔森说。 “所涉及的大脑区域和神经化学物质——即基底神经节、多巴胺和乙酰胆碱——是小鼠、灵长类动物和人类共有的。 基本上每一种动物都有脊椎。

        ：研究鸟类如何学习唱歌可以帮助研究人员更好地了解人类如何学习其他运动技能，例如说话、杂耍或演奏乐器。 从这个意义上说，穆尼说，“鸟鸣学习与当孩子们自发地获得这些非凡的技能时，他们会做什么。 基底神经节中的

         多巴胺信号传导问题也与许多疾病有关，包括帕金森氏症和精神分裂症。

         “我们了解这些地区真的很重要，而鸟是实现这些原则的一种手段，”皮尔森说。

         “在所有剩下的科学前沿中，大脑可能是最不为人知的，它是人类的基础，”穆尼说。

         这项研究得到了美国国立卫生研究院（5R01 NS099288、RF1 NS118424、F32 MH132152 和 F31 NS132469）的资助。