模式動物能夠回答為什麼唱歌跑調嗎 （一）
還記得沈從文的《邊城》里團總的兒子儺送是怎麼向翠翠表達情意的嗎？ 對，唱情歌！那都梁的小說《血色浪漫》里鍾躍民和秦嶺是怎麼一見鍾情的呢？ 對，唱信天游！可見會唱歌是多麼的重要吖~~
然而在你我的身邊，也許都有過這樣的同學，同事或者朋友，唱歌通常會跑調，甚至會因為跑的太遠讓別人沒法正常唱下去（小王你出去上個廁所好讓我們把這首歌好好唱完可以嗎。。。）。然而有些人根本意識不到自己跑了調，即使意識到了也無法按照正確的節律和音調唱出來。小編自己就是這樣，明明聽熟了的歌曲可以在腦海中回放，但是唱出來的調子卻相去甚遠( ??)。
痛苦地看著別人在KTV大展風采而自己只能躲在角落裡的小編困擾了好久，為什麼有些人擅長唱歌有些人不擅長？為什麼有些人仿唱歌曲那麼厲害而我們做不到？為什麼我明明知道自己跑了調卻難以回到正常的調子呢？是因為我的發音不準呢還是因為我無法準確控制發音的節律？ 我們的大腦到底是怎麼來控制歌唱學習的呢？
利用模式動物進行的科學研究會對我們理解這些問題有所幫助嗎？帶著疑問， 借著研究生院交流的機會，我參觀訪問了沖繩科學技術研究院大學（簡稱OIST）一個以斑胸草雀為模式動物來研究鳥類唱歌學習可塑性的獨立實驗室。
為什麼斑胸草雀的研究有可能回答人類唱歌跑調的問題呢？
長時間以來鳥類愛好者已經知道，鳴禽的歌唱本領是需要學習的。和人類語言能力的習得一樣，要學會歌唱鳴禽必須在臨界期（critical period，或譯為關鍵期）內聽著成年鳥類的歌聲長大，而且需要依靠自己的聽覺反饋來不斷調整自己的發聲。以研究中比較常見的鳴禽（songbirds）斑胸草雀（zebra finch）為例，幼鳥唱歌學習通常被分為兩個階段，感覺學習階段（sensory learning phase）和感覺運動學習階段 （sensorimotor learning phase）。在感覺學習階段，孵化後的幼鳥需要重複聽父親的歌聲並且在腦中形成記憶模板（song template)；在感覺運動學習階段，幼鳥開始練習歌唱，並且通過聽覺反饋將此時不成熟的歌聲和腦子中的模板進行比照，逐漸調整自己的發聲。在此過程中鳴禽的歌唱本領逐漸提高，在不斷模仿中形成自己獨有的歌聲。這個學習過程跟人類語言能力的學習具有高度的相似性，因此通過研究鳴禽來了解語言學習(language acquisition) 的神經機制被寄予了厚望。
另外，由於人類語言跟其他動物聲音最本質的不同在於它的句法（syntax), 也就是有規律的安排包括發音、單詞、短語等等形成句子的能力，所以要研究人類語言學習神經基礎最有效的途徑就是找到其聲音也擁有句法的動物作為模式動物進行研究。找來找去發現，鳴禽（songbirds）的歌聲可能是在擁有句法方面最接近人類語言的了。 這在動物界中可是不多見的噢！
如下圖所示，還是以研究中比較常見的斑胸草雀為例，它的歌聲中最基本的元素是音符（note), 一個或者多個有序排列的音符（note）組成了音節（syllable），音節（syllable)的依次排列組成了端句（motif），連續多個端句（motif）的重複排列就形成了一次鳴唱（song bout）。 這種結構跟人類的語言非常相似！
正是因為以上這些最重要的原因，全世界有很多實驗室利用斑胸草雀作為模式動物來研究學習（learning）或者發聲（vocalization）的神經科學機制，並且取得了不少進展。這也是我為什麼覺得斑胸草雀能夠幫助理解唱歌跑調的原因。
因為我博士期間的研究是使用果蠅來研究聽覺神經環路的可塑性的，在研究過程中對於果蠅能否通過學習來調整自己的求偶歌（courtship song）產生了濃厚的興趣。在查閱資料的過程中，在OIST的這家實驗室吸引了我的注意，因為他們在剛剛過去的2016年連續在Nature Communications 和Science 上發表了兩篇非常有意思又對我個人的研究很有啟發作用的論文。下面先對這兩篇文章做一下簡要的介紹，具體內容我會在後續姊妹篇詳細探討哦~
第一篇
Shin Yanagihara & Yoko Yazaki-Sugiyama. Auditory experience-dependent cortical circuit shaping for memory formation in bird song learning. Nat Commun. 2016 Jun 21;7:11946.
斑胸草雀唱歌的學習依賴於早期的聽覺輸入在大腦中形成的記憶模板。該文通過電生理記錄,聲譜分析和藥理學實驗的方法，發現斑胸草雀高級聽覺皮層caudomedial nidopallium (NCM)里有一部分細胞在聽過模板歌聲之後出現了高度的應答選擇性，這暗示著斑胸草雀學唱歌過程中關於模板的記憶可能儲存在NCM中。 既然確實有腦區負責儲存記憶模板，那麼我唱歌跑調是不是因為模板沒有儲存好而導致的呢？ 且聽下回詳細分解該論文。
第二篇
Makoto Araki, M. M. Bandi, Yoko Yazaki-Sugiyama. Mind the gap: Neural coding of species identity in birdsong prosody. Science 09 Dec 2016:Vol. 354, Issue 6317, pp. 1282-1287.
幼年斑胸草雀通常只能從同種屬的成年斑胸草雀那裡學會唱歌，而不是其他種屬的鳴禽。那麼是什麼聲學特徵使幼年斑胸草雀能夠區分自己正在學的歌聲是同一種屬的還是不同種屬的呢？ 該文通過領養實驗（幼年斑胸草雀由不同種屬的鳴禽撫養長大）、聲譜分析和電生理記錄的方法，發現被領養的幼年的斑胸草雀學會的歌曲有口音！ 也就是說它學會了教他唱歌那隻鳥的歌聲中音節的形態，卻保留了斑胸草雀自己種屬（特有的）音節之間的時間間隔。然後該文作者鑒定出了分別編碼音節形態和音節之間間隔的兩組神經元。好啦，這對於我們理解外國人學習漢語會帶有口音是不是會有所啟發呢？ 最後，唱歌跑調難道真的只是控制不好音節之間的間隔，還是音節本身也控制不好？ 留待下回一起討論。
那麼，利用模式動物的研究到底能夠回答我唱歌為什麼跑調的問題嗎？ 在本文的後續姐妹篇里，小編會專門詳細介紹這兩篇論文的研究思路和成果。 敬請期待！
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附送大禮包，下面送上沖繩科學技術大學院大學印象記~ 有興趣的同學可以看一下，可能會顛覆你對傳統的日本研究型大學的印象哦~~
下圖是OIST的俯視圖（來自OIST官網），前面棕黃色屋頂的是居住生活區和會議中心，下面褐色屋頂部分是由中央棟連接起來的三個研究棟。
OIST和傳統的日本大學和研究機構最顯著的不同是，這裡不是以物理系化學系生物系等等來劃分的，而是以獨立的研究單元（research unit）為單位，以學科交叉研究為導向來提供研究支持。 目前有５９個研究單元，研究領域橫跨神經科學、分子細胞與發育生物學、環境與生態學、數學與計算科學、物理與化學五大領域。
每個研究單元都在各自領域內從事著國際前沿的研究，而且OIST也刻意鼓勵研究單元之間的交叉合作。我訪問的實驗室屬於神經生理學的實驗室，在2016年末就和物理學的研究單元合作在Science上發表了一篇論文哦（後續會有專門介紹該文的文章）！
OIST 恐怕是日本為數不多的將英語設為工作語言的研究機構了。OIST在教員和學生方面也都達到了高度的國際化。截止目前的56個教員 （獨立PI，principle investigator)裡面國際教員有36個，日本教員只有20個；現有學生134個，國際學生111個，日本學生23個。 師生比達到了1：2。而且最讓小編感到驚訝的是，這裡的辦公室僱員大多數英語流利，相當一部分具有留學背景，這是傳統的日本大學需要追趕好久的地方了。除了因為經費充足而裝備有最新的尖端研究設施之外，OIST也提供一流的後勤保障。麻雀雖小五臟俱全，雖然學校人數不多，這裡依然配備有圖書館、健身房、商店、醫療中心、心理諮詢室、禮堂，甚至有一個自己的國際幼兒園。另外令小編沒有想到的是，OIST也有汽車和電動車供免費租借。。。當然啦，最讓人羨慕的是，這裡的學生除了優渥的獎學金之外，都有獨棟別墅可以住，面朝大海春暖花開，每天早上醒來一眼就可以看到大陸架邊緣的無敵海景，在清晨的陽光中穿過鳥語花香，庭院和長廊，到實驗室鼓搗鼓搗實驗，想想就很美！
圖中建築即為學生宿舍
宿舍前海景
最後，分享一下OIST附近以及沖繩的無敵海景好啦~~ 謝謝閱讀，有問題歡迎提問~
謝謝@東華君，@insoulter和@Mon1st 在成文過程中的寶貴意見！
參考文獻
Robert C. Berwick, Kazuo Okanoya, Gabriel J.L. Beckers, Johan J. Bolhuis. Songs to syntax: the linguistics of birdsong. Trends in Cognitive Sciences. Volume 15, Issue 3, p113–121, March 2011
Michael S. Brainard & Allison J. Doupe. Auditory feedback in learning and maintenance of vocal behaviour. Nature Reviews Neuroscience. 1, 31-40.October 2000
Johan J. Bolhuis, Sanne Moorman. Birdsong memory and the brain: In search of the template. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 50 (2015) 41–55. 2015
Shin Yanagihara & Yoko Yazaki-Sugiyama. Auditory experience-dependent cortical circuit shaping for memory formation in bird song learning. Nat Commun. 21;7:11946. Jun 2016
Makoto Araki, M. M. Bandi, Yoko Yazaki-Sugiyama. Mind the gap: Neural coding of species identity in birdsong prosody. Science 09 :Vol. 354, Issue 6317, pp. 1282-1287. Dec 2016
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