[论文解读] Temperature manipulation in songbird brain implicates the premotor nucleus HVC in birdsong syntax

Yisi Zhang, Jason D. Wittenbach+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2015

Animal Vocal Communication and Behavior参考文献 49被引用 3

一句话总结

本研究通过可逆性地调节鸣禽脑区的温度，确定了前运动核 HVC 在鸟类鸣叫句法中的关键作用。冷却 HVC 会减少音节重复，而加热则会增加重复，且对 RA 的运动输出无影响；计算建模与反馈实验表明，HVC 通过突触效能的变化整合听觉反馈，从而塑造序列句法。

ABSTRACT

Behavioral sequences of animals are often structured and can be described by probabilistic rules (or "action syntax"). The patterns of vocal elements in birdsong are a prime example. The encoding of such rules in neural circuits is poorly understood. Here we locate the site of song syntax in the Bengalese finch by rapidly and reversibly manipulating the temperature in the song production pathway. Changing the temperature in the premotor nucleus HVC (proper name) alters the transition probabilities between syllables. Most prominently, cooling reduces the number of repetitions of long repeated syllables, while heating increases repetition. In contrast, changing the temperature of the downstream motor area RA (robust nucleus of the acropallium), which is critical for singing, does not affect the song syntax. Computational modeling suggests that temperature can alter the transition probabilities by affecting the efficacy of the synapses in HVC that carry auditory feedback to the motor circuits. The model is supported by a real-time distorted auditory feedback experiment, which shows that perturbing auditory feedback shortens syllable repeats similar to cooling HVC. Taken together, these findings implicate HVC as a key player in determining birdsong syntax.

研究动机与目标

• 确定负责鸟类鸣叫句法的神经底物，特别是音节的序列结构。
• 检验 HVC（一个前运动核）是否控制音节之间的概率性转换规则。
• 确定 HVC 内温度调节是否在不改变运动输出的情况下改变歌曲句法。
• 研究听觉反馈在通过 HVC 神经环路塑造音节重复中的作用。

提出的方法

• 使用定制热探针对斑胁鸣禽的 HVC 和 RA 区域进行快速、可逆的温度调控。
• 通过分析温度变化前、期间和后的音节转换概率，量化歌曲句法。
• 开发计算模型以模拟温度诱导的突触效能变化如何影响 HVC 中的转换概率。
• 使用实时失真听觉反馈，测试改变反馈是否能模拟冷却 HVC 的效果。
• 利用自动声学分析软件测量音节重复率和转换模式。
• 在 HVC 与 RA 进行对比温度调控，以分离 HVC 在句法中的特异性作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 对 HVC 进行温度调控是否会改变鸟类鸣叫音节的序列结构？
• RQ2 温度对歌曲句法的影响是否特异性作用于 HVC，还是在下游运动区域（如 RA）也存在类似效应？
• RQ3 由温度变化引起的突触效能改变是否可解释音节转换概率的改变？
• RQ4 干扰听觉反馈是否会产生与冷却 HVC 相似的效果，从而支持 HVC 在反馈整合中的作用？
• RQ5 计算模型能否在温度调控下重现观察到的歌曲句法变化？

主要发现

• 冷却 HVC 显著减少了长音节的重复次数，表明其在调节音节序列结构中具有直接作用。
• 加热 HVC 增加了音节重复率，证明 HVC 温度可双向控制句法。
• 对 RA 的温度调控未改变歌曲句法，表明 RA 并非句法控制的位点。
• 计算模型预测，温度变化通过改变 HVC 神经环路中的突触效能来影响转换概率。
• 失真听觉反馈实验缩短了音节重复，与冷却 HVC 的效果相似，支持 HVC 在反馈整合中的作用。
• 综合结果表明，HVC 是通过反馈依赖的突触动力学编码鸟类鸣叫句法的关键神经底物。