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2018
04-16

基因讲述鸟鸣和人类言语的故事


长尾小鹦鹉和其他鹦鹉有一个独特的基因表达模式,在他们的大脑,创造一个超级负责的演讲中心,可能会给他们的能力,迅速拿起鹦鹉演讲的“方言”。

他的办公室里充满了各种各样的鸟类书籍,但杜克神经科学家Erich Jarvis因为我们羽毛的朋友的特殊兴趣而没有成为禽类家庭的专家。相反,这是他对人类大脑如何理解和再现把他带到鸟类的话语的迷恋。

Jarvis说:“我们已经知道,鸟类的唱歌行为与人类的言语行为类似 - 不是相同但相似,而且大脑回路也是相似的。杜克大学医学院和霍华德休斯医学研究所的调查员。 “但是我们不知道这些特征是否相同,因为这些基因也是一样的。”

现在科学家们知道,答案是肯定的 - 鸟类和人类基本上使用相同的基因来说话。

Jarvis和他的同事们经过大量的国际努力,对48种鸟类的全部基因组进行排序和比较,代表鸟类家谱的每个主要秩序,发现在鸣鸟,鹦鹉和蜂鸟中进化两次或三次。

更为引人注目的是,这些歌曲创新中涉及到的基因组与参与人类言语能力的基因非常相似。

这项发现是12月12日科学专题的八篇科学论文的一部分,另有21篇论文几乎同时出现在基因组生物学,GigaScience和其他期刊中。贾维斯的名字出现在20篇论文中,他是其中8人的通讯作者。

贾维斯与中国国家基因库和哥本哈根大学的国家基因库张国杰和丹麦自然历史博物馆的托马斯·P·吉尔伯特共同领导禽类基因组联合体。他的杜克实验室帮助准备样品,测序和注释基因组,进行分析和协调整个项目。

布赖恩研究中心的贾维斯实验室准备了许多物种的DNA,将其从过去30年来由世界各地的博物馆和其他机构收集的小块冷冻,粉红色的鸟肉拉出来。为确保测序的DNA确实属于Golden-collar manakin而不是本科实验室助理,实验室一直保持一尘不染,其中许多工具只使用一次,以避免后续污染的可能性。

“我们换了很多手套,”实验室研究分析师Carole Parent说,他为下一阶段的项目建立了一个DNA隔离管道,对更多的鸟类进行排序,并监督了杜克大学生和一名学生来自东教堂山高中。

所有这些细致而有点繁琐的工作,给全球各地的数百名同事和Jarvis带来了前所未有的华大基因组数据。对48种鸟类的全基因组比较需要在伊利诺伊大学和得克萨斯大学编写的新算法,这些算法在美国和欧洲的三台超级计算机上运行了400年的CPU时间。

从企鹅进化到色觉的29篇论文中,有八篇专门介绍鸟鸣。

在科学12月12日的论文之一发现有一个刚刚超过50个基因的声音学习鸟类和人类大脑显示更高或更低的活动一致的集合。根据贾维斯(Jarvis)领导的这支杜克队(Duke team)说,这些变化在没有声音学习的鸟类大脑和没有说话的非人类灵长类动物的脑中都没有发现。安德烈亚斯·芬芬(Andreas Pfenning)博士毕业计算生物学和生物信息学(CBB)计划;和计算机科学,统计学和生物学教授Alexander Hartemink。

在鸣禽,鹦鹉和蜂鸟大脑的组织示意图显示如何相似的声乐学习和生产的解剖。 贾维斯说:“这意味着声乐学习鸟类和人类在这些基因在歌曲和言语脑区的相似性比其他鸟类和灵长类动物更为相似。”

这些基因参与形成运动皮层神经元和控制产生声音的肌肉的神经元之间的新连接。

另一位CBB博士王睿(Rui Wang)的同伴研究着眼于控制歌曲和言语的大脑区域的一对基因的专门活动。出现在“比较神经病学杂志”上的这项研究发现,这些基因在歌唱学习的少年阶段在歌唱学习鸟的一个大脑区域下调和上调,这些变化持续到成年。这项研究和普芬宁的研究假设,这些基因的变化可能对于鸟类中的歌曲和人类的言语的演变至关重要。 Jarvis说:“你可以在所有物种的基因组中找到这些相同的基因,但是它们在声乐学习鸟类和人类的专门化的歌曲或语音脑区域中的活动水平要高得多或者更低。 “这对我而言意味着,当人声学习发展时,大脑回路可能进化的方式有限。”

另一篇由杜克大学的科学杂志论文,由博士后Osceola Whitney,Pfenning,Hartemink和Anne西方,神经生物学副教授,在唱歌期间看大脑不同区域的基因激活。这个团队在唱歌过程中发现了10%的表达基因组激活,在不同的歌曲学习区域有不同的激活模式。不同的基因模式最好通过不同脑区基因组的表观遗传差异来解释,这意味着不同脑区的单个细胞可以在鸟儿唱歌的时候通知基因。

在声乐学习鸟类的三个主要群体中,鹦鹉的模仿人类言语的能力明显不同。 Jarvis实验室的博士后Mukta Chakraborty领导了一个项目,该项目利用一些专业基因的活动发现鹦鹉的言语中心组织有些不同。研究人员称之为“歌曲系统内歌曲系统”,其中具有不同基因活性的大脑区域具有更多基因表达差异的外环。

Chakraborty说,鹦鹉是非常社会化的动物,有能力迅速拿起鹦鹉说话的“方言”,可以说明他们的超级讲话中心。发现鹦鹉种类中的“壳”或外部区域比例较大,这被认为具有最高的声乐,认知和社会能力。这些物种包括亚马逊鹦鹉,非洲灰色和蓝色和金色金刚鹦鹉。

Jarvis也是Claudio Mello和他的博士团队的一员。俄勒冈州卫生与学生摩根·沃斯林(Morgan Wirthlin)科学大学发现了​​十多个基因,这些基因是歌雀控制地区独有的。本白皮书出现在BMC Genomics中。

一个公爵实验室主导了分离鸟类DNA的测序工作:左起,Erich Jarvis,神经生物学副教授和Howard Hughes医学研究所的研究员;实验室研究分析师Carole Parent;本科研究助理Nisarg Dabhi;和研究科学家杰森霍华德。 (Duke Photo,Les Todd)

由Zhang,Gilbert和Jarvis领导的科学论文发现,与其他鸟类相比,声乐学习者的基因组更快地发展并具有更多的染色体重排。这个基因组比较也发现,在不同的鸟类的大脑的歌唱学习领域独立发生类似的变化。

贾维斯说,更多地了解这种鸟语言演化的历史,使得人类的声音学习鸟类更有价值的模式生物帮助回答他和其他研究人员正在处理的关于人类言语的问题。他说:“言语难以在人脑中学习。 “鲸鱼和大象学习演讲和歌曲,但是他们太大而不能在实验室中安置。现在我们对如何有了更深入的了解 类似的鸟类大脑区域是在遗传层面上的人类言语区域,我认为他们将是一个比以往任何时候都更好的模型。“

贾维斯16年来在杜克大学鸟类大脑的一般探索也导致了一些意想不到的发现与歌曲无关。

2005年,他和同事们发现了候鸟的大脑中心,显然能够通过“夜视”感知磁场。那一年,他还领导了对鸟类大脑组织和脊椎动物大脑进化的理解的修订。去年,他根据分析在八种鸟类的大脑23个区域中活跃的52个基因,重新绘制了鸟类的大脑地理。这幅新地图显示了鸟类大脑中的神经元分组,像人类和其他哺乳动物的大脑一样。

他还分支出去了解大脑的结构,使得老鼠能够在超出人类听觉范围的超声波范围内“唱歌”。 Jarvis表示,来自禽类基因组联盟的第一波研究结果仅仅是一个激动人心的基因组分析新时代的开始。国际组织已经在全基因组水平测序了更多的鸟类。贾维斯说:“这是一个激动人心的时刻,也是杜克大学脑科学研究所的成员。 “现在有许多基本的问题可以通过更广泛的抽样获得更多的基因组数据来解决。我进入这个项目是因为我对鸟类兴趣是人类声乐学习和言语产生的典范,它为大脑进化开辟了一些令人惊异的新景观。“

来源:杜克大学