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基因测序发现鸟类唱歌和人类说话非常相似

据科学日报的报道,美国杜克大学神经学生物学家埃里希·贾维斯(Erich Jarvis)的办公室里全是鸟类书籍,但他成为飞行类动物家族树专家并非因为对有羽毛鸟类的独特兴趣,而是对人类大脑如何理解和产生言语的着迷导致他开始研究鸟类。“我们早已知道鸟类的歌唱行为类似于人类的言语——虽然并非完全相同但非常相似——且两者的大脑回路也是相似的,”杜克大学医学院神经生物学副教授、霍华德休斯医学研究所的调查员贾维斯这样说道。“但我们并不知道这些特征的相同是否是因为具有相同的基因。” 鸟类唱歌和人类说话非常相似 现在科学家们知道这一问题的答案是肯定的——鸟类和人类本质上具有相同的语言基因。一支国际科学家小组对代表鸟类家族树每一个重要等级的48个鸟类物种的全部基因组进行了测序和对比,贾维斯和他的同事发现黄莺、鹦鹉和蜂鸟的声乐学习至少进化了两次或者三次。更令人震惊的是这些声音创新所涉及的基因组竟然与人类言语能力进化所涉及的基因存在不可思议的相似性。 这项发现属于12月12日科学日刊上发表的8篇科研文章以及几乎同时发表在期刊《基因组生物学》、《大数据科学》和其它期刊上的21篇文章。贾维斯是其中20多篇文章的合作作者,并且是其中8篇文章的联系作者。 贾维斯和中国华大基因国家基因库和丹麦哥本哈根大学的张国杰(Guojie Zhang)以及丹麦自然历史博物馆的托马斯·吉尔伯特(M. Thomas P. Gilbert)合作领导了鸟类学协会。贾维斯在杜克大学的实验室贡献了样本准备、基因组的测序和注解,并进行了整个项目的分析和协调。 位于杜克大学西校区布莱恩研究大楼的贾维斯实验室准备了很多物种的DNA——这主要是从全世界各地的博物馆和其他研究机构在过去30年间收集的冰冻鸟类尸体中抽取的。为了确保测序的DNA的确属于金领娇鹟,实验室保持一尘不染,很多工具只被使用过一次,以避免随后被污染的可能性。 “我们经常换手套,” 实验室研究分析员卡罗尔·派伦特(Carole Parent)这样说道。他为项目的下一阶段设立了DNA隔离管道以测定更多鸟类,并指导了一组杜克大学本科生和东教堂山高中一名学生进行样本准备。 这些一丝不苟辛勤的工作终于为贾维斯和全世界几百名同事带来了好消息:他们打开了中国华大基因产生的前所未有的大量基因数据。48个鸟类物种全套基因组的对比需要使用美国伊利诺伊大学和德克萨斯州大学科学家们编写的新算法,后者在美国三台超级电脑上运行了400年的CPU时间。发表的29篇科研文章涵盖了方方面面,从企鹅的进化到色觉,其中有八篇与鸟类唱歌有关。 发表在12月《科学》上的12篇文章中,其中一项研究发现声乐学习的鸟类和人类大脑里大约有50多个基因较为一致的表现出较高或者较低的活动水平。而这些改变并未出现在不具备声乐学习的鸟类大脑里,或者非人类、无法说话的灵长类动物大脑里,根据贾维斯带领的杜克研究小组表示。研究小组成员还包括计算机生物学和生物信息学(CBB)博士研究生安德列亚斯·芬尼(Andreas Pfenning)和计算机科学、统计科学和生物学教授亚历山大·哈特明克(Alexander Hartemink)。 “这意味着从涉及唱歌和言语的大脑区域的基因角度看,相比其它鸟类和灵长类动物,声乐学习的鸟类和人类之间更相似。” 贾维斯说道。这些基因涉及在运动皮质神经元与控制产生声音的肌肉的神经元之间形成新连接。 另一名计算机生物学和生物信息学博士生王瑞(Rui Wang)进行的对比研究调查了控制唱歌和言语的大脑区域里涉及的一对基因的特定活动。这项发表在期刊《比较神经学》上的文章发现声乐学习的鸟类在学习声乐的少年期时,其中一个大脑区域里的这些基因被上调或者下调,这些变化会持续到成年期。这项研究以及芬尼的研究提出假设认为这些基因的变化可能对鸟类唱歌和人类言语的进化至关重要。 “你可以在所有物种的基因组里发现相同的这些基因,但是它们在声乐学习鸟类或者人类的特定唱歌或言语的大脑区域里的活动水平更高或者更低。” 贾维斯解释道。“这表明,至少我认为,学习声乐的进化过程中,大脑回路的进化方式可能非常有限。” 由杜克大学博士后研究员奥西奥拉·惠特尼(Osceola Whitney)、芬尼、哈特明克和神经生物学副教授安妮·韦斯特(Anne West)带领进行的发表在《科学》上的另一项研究关注于唱歌过程中,大脑不同区域基因的激活。研究小组发现在唱歌时被表达的基因组中有10%被激活,而声乐学习的不同大脑区域具有多样化的激活模式。多样化的基因样式可以通过不同大脑区域基因组的后生差异来解释,这意味着在鸟类唱歌时,不同大脑区域的单个细胞可以即刻调节基因。 在声乐学习鸟类的三大主要群体里,鹦鹉因模拟人类语言的能力而尤为独特。贾维斯实验室的博士后研究莫克塔·查克拉波尔迪(Mukta Chakraborty)带领进行的一个项目调查了某些特定基因的活动,结果发现鹦鹉言语中心的组织有所不同。它具备研究人员所谓的“唱歌系统内的唱歌系统”,也就是具有不同基因活动以产生唱歌的大脑区域具有一个外环,而后者的基因表达存在更多差异。 查克拉波尔迪表示鹦鹉是非常社交的动物,它具备快速学会鹦鹉语言里的“方言”的能力,这或可以解释它们超负荷的语言中枢。在鹦鹉物种里,它们外层区域或者称“壳”较大,据称这表明它们具有较高的声音、认知和社会能力。这些物种包括亚马逊鹦鹉、非洲灰鹦鹉和蓝黄金刚鹦鹉。 贾维斯还参与了一项与俄勒冈ca88亚洲城与科学大学的克劳迪奥·梅洛(Claudio Mello)以及他的博士研究生摩根·沃斯林(Morgan Wirthlin)的合作研究,这篇发表在期刊《英国医学委员会—基因组学》(BMC Genomics)上的研究发现鸣禽的声音控制区域具有10多个独特的基因。 由张、吉尔伯特以及贾维斯合著的另一篇发表在《科学》上的文章发现与其它鸟类物种相比,声乐学习鸟类的基因组能够更快速的进化,并具有更多染色体重排(chromosomal rearrangements)。这一基因组对比还发现了不同鸟类大脑声乐学习区域里独立发生的相似变化。 贾维斯表示对鸟类言语进化历史的更多了解会促进声乐学习鸟类成为更有价值的生物体模型,这或可能帮助解答贾维斯和其它研究人员提出的有关人类言语的问题。 “研究人类大脑里的言语非常困难,” 贾维斯说道。“鲸鱼和大象也会学习言语和歌曲,但它们体型巨大不方便放在实验室内进行研究。现在我们对鸣禽大脑区域与人类言语区域从基因角度存在的相似度有了更深层次的了解,这使得它们能够成为更好的模型。” 贾维斯在杜克大学对鸟类大脑进行了16年的普遍探索产生了某些与唱歌无关的意外发现。 2005年,他和同事发现候鸟大脑的一个中心使得候鸟能够通过“夜视” 感知磁场。同年他还带领进行了对鸟类大脑组织和脊椎动物大脑进化的理解的修正。去年,他带领进行了对鸟类大脑地形的重新绘制,这是基于对8个鸟类物种23个大脑区域里52个活跃基因的分析。最新的地图显示鸟类大脑里神经元的分组是按列分布的,与人类和其它哺乳动物的大脑一样。此外贾维斯还了解和研究了促使老鼠能够以超声波的形式“唱歌”的大脑结构。 贾维斯表示鸟类学协会的第一波发现仅仅是令人激动的基因分析学新纪元的开始。国际科学家小组已经准备从全基因组的角度对更多鸟类进行基因测序。“这真是令人激动的一刻,” 杜克大学脑科学研究所成员贾维斯这样说道。“更广泛的采样获得的基因数据解决了很多基本问题。我参与这一项目纯粹是出于我对鸟类作为声乐学习以及人类言语产生的一个模型的兴趣,它开启了大脑进化里某些不可思议的新展望。” 您可能也感兴趣:
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