全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 19卷 第 3期
2007年 6月
Vol. 19, No. 3
Jun., 2007
鸣禽前端脑通路与鸣唱可塑性
何　颖，李东风*
（华南师范大学生命科学学院，广州 5 1 0 6 3 1）
摘　要：前端脑通路即鸣禽的基底神经节——前脑通路，为鸣唱学习和可塑性所必需。本文综述了前
端脑通路的起源、发育、作用及其鸣唱可塑性方面的最新进展。
关键词：前端脑通路；鸣唱可塑性；鸣禽
中图分类号：Q62; Q426　　文献标识码：A
Anterior forebrain pathway and song plasticity in songbirds
HE Ying, LI Dongfeng*
(College of Life Science, South China Normal University, Guangzhou 510631, China)
Abstract: Anterior forebrain pathway (AFP), which is called basal ganglia-forebrain circuit in songbirds, is
essential for song learning and song plasticity. Progress of the origin, development, functions and song
plasticity of the AFP, was reviewed.
Key words: anterior forebrain pathway (AFP); song plasticity; songbirds
收稿日期：2006-12-15；修回日期：2006-12-30
基金项目：国家自然科学基金(30370197, 30570232) ；广东省自然科学基金(05005910) ；中国科学院生物物理研究
所脑与认知科学国家重点实验室资助项目
作者简介：何　颖(1983 —)，女，硕士研究生；李东风(1958 —)，男，教授，博士生导师，* 通讯作者，E-mail:
dfliswx@126.com
文章编号 ：1004-0374(2007)03-0333-05
研究动物的习得行为对探究脑的学习记忆功能
及其内在机制是十分重要的。鸣禽的鸣唱与人类的
语言类似，是一种习得的发声行为，同时声音的学
习及其维持依赖于听觉刺激和听觉反馈。因此，鸣
禽的鸣唱系统成为学习记忆脑功能研究的一个理想
模型。
鸣禽的鸣啭发育历经亚鸣啭(subsong)、塑性鸣
啭(plastical song)和完美鸣啭(full song)三个时期。塑
性鸣啭期是鸣禽发声学习的关键期。在此期间，若
前端脑通路受损则阻碍正常的鸣曲发展，使鸣曲发
生音节缺失等退化现象[1-2]。因此，前端脑通路在
鸣唱学习的可塑性方面扮演着十分重要的角色。长
期以来，鸣唱可塑性无疑是学术界关注的焦点。本
文综述了前端脑通路的重要作用及其在鸣唱可塑性
中的地位。
1　前端脑通路及其发育
鸣禽脑中离散的核团及其通路构成了鸣唱系
统 [3]。鸣唱系统包括两条主要的神经通路，如图 1
所示[3]，一条为运动通路(vocal motor pathway,
VMP)，它始于高级发声中枢(high vocal centre,
HVC)，通过神经元轴突投射至弓状皮质栎核(nucleus
robustus archiastriatalis, RA)，最后经舌下神经气管
鸣管亚核(tracheo-syringeal portion of the hypoglossal
nucleus, nXⅡ ts)控制鸣肌。VMP主要功能是控制
鸣曲的产生，直接参与发声行为。另一条是前端脑
通路(anterior forebrain pathway, AFP) ：HVC→ X
区(X Area)→丘脑背外侧核内侧部(medial portion of
the dorsolateral nucleus of the anterior thalamus, DLM)
334 生命科学 第19卷
→新纹状体前部巨细胞核外侧部(lateral magnocellular
nucleus of the anterior neostriatum, LMAN)→ RA。
AFP对于鸣曲的习得和维持来说是必不可少的，并
依靠听觉反馈来实现其功能。它包括的核团大多与
鸣曲选择相关[4-6]。
在哺乳动物中，从皮层到丘脑的基底神经节通
路至少经过两次中继——纹状体和苍白球。AFP中
的核团X区完全嵌入内侧纹状体，含有GABA能抑
制神经元。X 区是纹状体与苍白球的混合体，而
DLM对应于丘脑。鸣禽AFP和哺乳动物基底神经节
一样，都含有两级的 GABA抑制性通路，具有同
源性 [ 5 ]。
鸣唱系统中的两条主要通路在发育上存在时间
差异。通常AFP发育早于VMP。在鸣啭学习敏感
期内，鸣唱系统涉及的核团在体积、神经元数目、
突触联系方式以及神经元形态方面都会发生很大的
变化[4]。在鸣啭学习开始之前，绝大多数X区投射
神经元就已生成。随后，H VC、RA 体积迅速增
大，而 LMAN体积显著萎缩。这些核团体积的变
化是由其内部神经元数目的变化导致的。DLM在学
习期内的神经元数目虽然保持不变，但该核团存在
轴突末梢的生长和退化。AFP的形态发育与其鸣曲
功能的发育是相关的[7]。
2　AFP在幼鸟鸣曲学习及成鸟鸣曲维持中的作用
对AFP鸣唱可塑性功能方面的研究始于斑胸草
雀的脑损伤研究[8-9]。损伤动物 AFP后，观察其行
为的异常，判断相关通路的功能。对比图 2A可发
现，成年斑胸草雀AFP中的 LMAN损伤后，其鸣
曲在音素、音节和短语方面均无变化，即成体的
L M A N 损伤并不影响鸣唱，而在幼年斑胸草雀
LMAN损伤的情况下，鸣曲受到严重的影响。由图
2B可见，与正常鸣曲相比，LMAN损伤后的鸣曲
音节数减少，并且这些音节在异常鸣曲中不断重
复。
以上结果显示，AFP在鸣唱学习初期是十分必
要的，可能将鸣唱学习进程中的某种信号传递到
VMP，进而影响鸣唱运动。成体后鸣曲十分稳定，
是由于HVC更多地参与了鸣唱行为，LMAN则逐渐
图2　LMAN损毁后影响正常的鸣唱学习，但不影响鸣曲的维持(A[8], B[9])
注：A. 成年斑胸草雀双侧损毁 LMAN前后的声谱图；B. 35日龄幼年斑胸草雀双侧损毁 LMAN前后的声谱图
图1　鸣唱系统的组成[3]
注：黑色：VMP通路，主要核团包括 HVC和 RA；灰色：
AFP 通路，主要核团包括 X 区、D LM 和 LMAN
335第3期 何　颖，等：鸣禽前端脑通路与鸣唱可塑性
丧失其对鸣唱的控制作用。
鸣唱学习，就像人类的语言学习一样，是一
种依赖于听觉的习得行为。幼鸟鸣曲学习和成鸟鸣
曲维持都需要听觉反馈的参与。无论是鸟类或是人
类，致聋引起的听觉反馈将导致成体语言的逐渐退
化。Brainard等[7]比较了致聋鸟与致聋前损伤LMAN
的鸟两者的鸣曲变化。正常鸟致聋后的鸣曲退化包
括单音节结构的改变和鸣曲整个组织的改变。例
如，相对快速地缺失可辨认音节，甚至呈一系列短
且嘈杂的声音。这种退化可以持续数星期到几个
月。而在致聋前对鸟进行双侧 LMAN损伤，而后
记录的鸣曲却与正常鸟致聋后的退化鸣曲存在明显
的不同——LMAN损伤组的鸣曲仍保持其稳定性，
并且在多数情况下，LMAN损伤组的鸣曲音节结构
和序列只是发生了细微的变化，例如某个音节的遗
漏。因此，成体斑胸草雀致聋引起的鸣唱可塑性变
化，无论是在音节结构还是在整个鸣曲的组织形式
方面均受到 LMAN损伤的抑制。
3　AFP与鸣唱可塑性功能相关的两个模型
感觉运动学习的基本过程是，发声器官产生鸣
曲，听觉反馈至 CNS，与习得记忆模板进行匹配 /
评估。当产生的鸣曲和模板不符时，产生反馈信号
使VMP发生改变，从而支配发声器官影响鸣曲输
出。在幼鸟感觉运动学习期间，自鸣声和习得记忆
模板经常出现不相符的情况。幼鸟就是通过听觉反
馈不断调整鸣曲，使自鸣声和习得记忆模板逐渐匹
配吻合。以这一基本事实为基础，发现 AFP在鸣
唱可塑性方面可能存在指令( i ns t ruct ive )和许可
(permissive)两种作用[5,7]。
图 3A为指令模型。在此模型中，幼鸟AFP的
损伤，阻碍了指令信号输入 VMP的过程，因此鸣
曲发生退化。成鸟鸣唱学习完成后，VMP则独立
地负责产生鸣曲，那么就不需要指令信号的输入来
指导鸣曲改变了，所以成鸟损伤 AFP后，并没有
对鸣曲产生影响。然而，致聋成鸟缺乏听觉反馈，
听觉反馈的缺乏导致异常指令信号的产生，使鸣曲
发生改变，引起鸣曲退化。如果成鸟的 AFP在致
聋前已经损伤，则阻止异常指令信号输入到VMP，
没有指令信号的指导，鸣曲自然就不发生改变了。
图 3B为许可模型。在这个模型中，AFP是作
为一种可塑因素存在的。AFP对VMP的正常发育和
生理功能是必需的，故幼鸟AFP的损伤必然使VMP
受到破坏，引起鸣曲退化。按照先前的证据，成
鸟 AFP损伤在表面上没有对成体鸣曲产生什么影
响。但损伤很可能使 RA的生理特征发生一定的改
变，当然也影响成体鸣曲的可塑性。听觉反馈和
AFP这种可塑因素共同调节鸣唱运动。当两者均不
起作用的时候(AFP损伤 +致聋)，VMP独立负责鸣
曲输出，鸣曲则趋于稳定。
目前尚未对AFP的指令和许可作用进行区分。
两种模型提示，AFP活动的缺失说明其损伤降低了
鸣唱可塑性。事实上，这两种模型并不是相互排斥
的，AFP很有可能通过这两个过程来实现它在鸣唱
可塑性方面的功能。
4　AFP在鸣曲实时调制中的作用
成年斑胸草雀LMAN的损伤并不影响鸣曲，这
暗示了LMAN并不是鸣唱必需的前运动结构。2005
年，Kao等[1]首次报道了AFP的指导鸣曲实时改变
图3　AFP在鸣唱可塑性功能上的两个模型[5]
336 生命科学 第19卷
的能力。他们利用实时鸣曲诱导的微刺激(频率为
400Hz的双相电流脉冲，每个脉冲 0.4ms，共持续
25－550ms)来检测AFP在鸣唱控制功能方面的神经
活动。这个微刺激是在固定的鸣曲音节通过对
LMAN进行电刺激来实现的。他们发现，人为地改
变LMAN活动形式，能使鸣曲音素或音节结构发生
精确的变化，而不改变音节顺序或随后的音节结
构。其中这些改变包括音频的升降、声音振幅的增
减。
图 4A中，音节“abcdef”构成了一句短语。
在短语 b和 c之间进行 LMAN的微刺激(图 4A上方
图)，发现刺激时基频下降了近 10%(图 4A下方图)。
图4B也是在短语b和c之间进行LMAN的微刺激(图
4B上方图)，显示音节 c振幅下降约 25%，到了音
节d很快就恢复了——振幅没有发生改变(图4B下方
图)。尽管我们现在还不明确 LMAN对鸣曲影响的
内在机制，但LMAN刺激引起的鸣曲音节结构的快
速变化和这种作用的快速终止，是与LMAN直接调
节 RA相符的。结果暗示，AFP对鸣唱可塑性的重
要作用可能源于其精确调节前运动核团RA的功能。
5　AFP相关鸣唱学习的细胞及突触机制
蛋白激酶C(PKC)是突触前或突触后神经元调节
功能蛋白磷酸化状态的分子，所以它对与学习记忆
相关的突触可塑性表达是十分重要的。幼年斑胸草
雀和幼年孟加拉雀 RA中 PKC的活动均有短暂增
加[10-11]。成年孟加拉雀的致聋也引起 RA中 PKC表
达的增加，这与幼鸟 RA中 PKC的活动是一致的。
Watanabe等[12]研究了PKC在鸣禽鸣唱可塑性调节方
面的作用。发现致聋后，HVC-RA突触有 PKC免
疫活动，而LMAN-RA突触没有 PKC免疫活动。之
后他们利用 LMAN的单侧损伤来探讨其内在机制。
致聋成鸟中，LMAN损伤侧RA中 PKC免疫活动总
是低于未损伤侧，这暗示了致聋诱导的PKC表达受
到 LMAN损伤的抑制。这些结果显示，成鸟失去
正常的听觉反馈后，AFP通过LMAN输出的某些信
号诱导了HVC-RA突触的PKC活动增加，很有可能
调节鸣唱可塑性。
VMP和AFP的相互作用是通过两者的交汇点
RA实现的。RA共同接受这两条通路的谷氨酸输
入。RA接受HVC的谷氨酸输入是通过AMPA受体
介导的，而 RA接受 LMAN 的谷氨酸输入是通过
NMDA受体介导的。NMDA受体介导的 LMAN谷
氨酸输入在突触可塑性方面具有重要的作用。
Yoshida等[13]研究发现，斑胸草雀RA中谷氨酸诱导
PKC从胞质到胞膜的活化，这一过程与NMDAR相
关。神经元的发育研究指出，鸣曲学习时存在重要
的细胞学改变：NMDAR在幼鸟 LMAN中大量表
达，并且它在感觉敏感末期有显著的下调。此外，
学习过程中，在LMAN中注入NMDAR阻断剂使幼
鸟模仿教习曲的能力减弱，这与LMAN有助于教习
图 4　LMAN微刺激引起鸣曲音节结构参数的精确改变[1]
注：A. LM AN 微刺激引起的频率改变。上方左图：b、c 两音节间进行 LM AN 微刺激得出的声谱图；上方右图：对照
组；下方图：音节 c的基频，黑色为实验组频率，灰色为对照组频率。B. LMAN 微刺激引起的振幅改变。上方图：b、
c两音节间进行 LMAN 微刺激得出的声谱图；下方左图、右图分别为音节 c、d的振幅，黑色为实验组振幅，灰色为对照
组振幅
337第3期 何　颖，等：鸣禽前端脑通路与鸣唱可塑性
曲记忆的观点相符。以上结果显示，感觉学习期，
LMAN上存在NMDAR依赖的长时可塑性[14]。
[参　考　文　献]
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发现果蝇具有基于经验的学习能力
利用先期学习所得的经验来调整随后的认知行为可以体现人类或者动物的某种高级智慧。最近，郭爱
克研究员带领其研究小组经过三年多的研究发现：果蝇利用先期学习的经验可以显著提高其随后的视觉特
征抽提能力。视觉特征抽提是一种从多个视觉特征(如形状、颜色)中选择关键特征的能力。该实验室的博
士生彭岳清和奚望等人，在利用视觉飞行模拟器的研究发现，果蝇在没有先期经验的情况下，不能有效
地从形状颜色组合的图形中抽提出单个形状或者颜色特征，但是，预先用某一特征，即使是不同图像的
抽象特征来训练果蝇后，果蝇就能在随后同类的特征抽提中起到显著提高的作用。利用果蝇在遗传方面的
优势，他们还进一步探索了经验依赖的特征抽提的神经环路机制。研究表明，果蝇脑中有一个称为蘑菇
体的中枢结构对于上述行为是必需的，研究结果证明：即使是象果蝇一样较为简约的模式动物，也可以
利用先期学习的经验来提高某种高级的视觉认知能力。这一研究成果为进一步研究高等动物甚至人类的认
知能力提供了一些借鉴作用。
·简讯 ·
摘自 http://www.ion.ac.cn/