在鳥的歌聲、大腦和基因里，如何尋找語言的線索？

神經學家埃里希·賈維斯發現，鳴禽的發聲技巧和人類的語言都源於控制運動學習的神經通路。

當洛克菲勒大學的神經科學家埃里希·賈維斯（Erich Jarvis）在2015年榮獲美國細胞生物學學會頒發的Ernest Everett Just獎時，他發表了一篇講述引領他走上生物學之路的文章《生存在大環境下的少數族裔科學家》。文中提到「我相信，有證據顯示文化經驗會影響科學研究和科學發現」，而一切從這個信念開始。

賈維斯在紐約的哈萊姆區長大。他最初是一名舞者，在表演藝術高中學習芭蕾舞，獲得了多個獎學金以支持他繼續深造。在亨特學院讀本科時，在父母的鼓舞下，他決定轉而學習生物學。他的母親一直鼓勵他從事對社會有益的工作，而他的父親雖從事音樂工作，但一直對科學抱有濃厚的興趣（賈維斯父親多年飽受精神疾病和無家可歸的折磨，在他攻讀碩士期間，父親被一個青少年幫派槍殺。）

在洛克菲勒大學獲得博士學位後，賈維斯在杜克大學建立了自己的實驗室，並於2016年返回洛克菲勒大學任教。在過去的二十年里，他致力於研究鳥類可以模仿新聲音以及產生複雜多變發聲（也叫做聲音學習）的神經學和遺傳學機制。他使用鳴禽來闡述語言能力如何進化，並為人類語言障礙提供新的思路。

他的探索包括：改進基因組組合，探尋不同生物群體間大腦結構的相似之處，並通過操控基因使鳥類和小鼠更好地發聲。賈維斯完全改寫了鳥類大腦的命名法則，從而使科學家們能更容易找出鳥類與脊椎動物大腦之間的關係。他領導了一系列的鳥類基因組測序工作（他現在是「基因組10K工程」的聯合主席，在為脊椎動物進行測序工作），用來構建精確的進化史。這項工作促成了他的主要理論之一：鳴禽、人類及其他生物的聲音學習是獨立出現的，是由於大腦中的一條原始的運動學習通路被複制而產生的。

《量子雜誌》最近採訪了賈維斯，討論了聲音學習和語言的進化，父母及舞蹈背景對他學術事業的影響，以及科學界所需的多樣性。

聲音學習和語言之間的區別是什麼？

聲音學習是模仿和學習非天生聲音的能力。語言則包括了一系列的特質，包括了聲音學習這一語言中最獨特和專業的組成部分。

你可以訓練狗懂得「坐下」或者「跑」的意思。這是通過聽覺習得的，將聲音與聽到的事物相結合。但是狗並無法直接發出「坐下」的聲音，而這才是聲音學習。

只有極少的物種能夠進行聲音學習。在鳥類里，只有鳴禽、鸚鵡和蜂鳥能進行聲音學習。世界上有大約40種鳥類譜系，但除了上述三種外，其餘的鳥類均不具備聲音學習的能力。在哺乳動物中，除了人類，還有海豚、鯨魚、蝙蝠、大象和海豹具備這種能力。

那聲音學習是如何進化的呢？

我剛提到的所有物種都有不能模仿聲音的相近物種。比如與人類相近的黑猩猩或者亞鳴禽類鳥類均不具有這種能力。所以能進行聲音學習的物種更有可能是獨立進化出這種能力的。但是當我們觀察聲音學習的大腦通路時發現，這些通路都是相似的。它們都嵌入在控制學習如何移動肌肉群的通路中。但若它們是獨立進化的，又怎麼會發生這種現象呢？我們假設這可能產生於胚胎髮育過程中運動學習通路的複製。人類和鳥類的聲音學習通路來自於已經存在的結構中，它們有相似的聯通性和功能：只不過它並不用來控制手腳或眼睛的運動，而是控制著產生聲音的肌肉。正因為這種相似性，所以即使是獨立進化的，它仍從周圍的運動區域中繼承了相似的特質。

那這是否意味著，在聲音學習乃至語言的發展過程中存在限制因素呢？

正是如此。翅膀的進化就是一個好的比喻。脊椎動物的翅膀至少經歷了三次進化：蝙蝠、鳥類、和翼龍（一種遠古會飛的爬行動物）。翅膀的每次進化都在身體的上肢完成。其中的一個限制是重心。換句話來說，因為上肢是飛行所需能力最少的地方，所以翅膀在此處進化。另一個限制是已經存在的手臂。

對於語言通路來說，它存在的基礎是用來控制肢體運動而非聲音的運動學習通路。事實上我們最近發現，鸚鵡具有兩個聲音系統，就像人類有兩個聲音學習通路一樣：鸚鵡的兩條通路是一條包含著另一條，而人類的通路是緊緊相連的。這樣看起來鸚鵡大腦中複製的通路又再次被複制了。

為什麼其他動物身上沒有發現這一現象呢？

有很多假說可以解釋這一現象。我認為動物的天敵是聲音學習進化選擇的剋星。我們提出性別選擇有利於聲音學習的進化：聲音的多樣性會吸引異性的注意，而性別選擇是至關重要的。但為什麼聲音學習沒有更普遍呢？我們認為天敵是其中的阻礙因素：脊椎動物的聽覺通路會調整聲音。也就是說，具備聲音學習能力的物種可以不斷變化它們的聲音，而這種變化更容易吸引捕食者的注意並被其捕食。

但這種複製現象甚至沒有在相近物種中產生，這不令你感到驚訝嗎？

是啊，這種現象為什麼沒有更普遍呢？或者我們換個角度想吧：我們能不能找到一個這種通路的雛形呢？事實上，我們已經在某些物種中找到了。我們正在關注一種亞鳴禽的物種，聲音學習的部分腦區已經在其腦中產生了。另外，我們在小鼠腦中找到了僅在人類（而非其他哺乳動物）腦中產生的原始通路。

由此我們提出了「聲音學習的連續進化假說」。首先你的腦幹控制著天生的聲音系統。然後，你的前腦中產生一條複製的聲音通路，這條通路是從運動學習通路中複製出來的。但它像小鼠腦中的通路一樣只是一個雛形。之後，這條複製的通路與運動學習通路分離，並形成了鳴禽腦中類似語言的通路。最終，這條通路再次複製成一條或者多條相鄰或相繞的聲音學習通路，就像鸚鵡和人類腦中的一樣。這可能是我們通過聲音產生語言表達能力的解釋。

在小鼠身上找到聲音學習通路的雛形有什麼意義嗎？這是否意味著，小鼠正在進化出聲音學習的能力？

是的，它們有可能正在向著更高級的方向進化，並逐步進化出聲音學習的能力。當然這是在不存在天敵的情況下。但這一能力並不是它們所需要的。我們正在嘗試通過基因操縱將它們引向那個方向。雄性小鼠在求偶時使用的是一串特殊的超聲序列，這種聲音本身是很複雜的。但他們不能像人類一樣改變聲音。

人類之於靈長類以及鳴禽之於其他不具備聲音學習能力的鳥類而言，在特有的語言區域存在基因差異。而我們並沒有在小鼠腦中發現這種基因。我們正在試圖將人腦中這類特殊的基因植入小鼠腦中的原始通路，去觀察這種做法能否促使小鼠的通路進化成與人類一樣的。我們希望能夠訓練它們改變聲音、聲調以及他們求食時發出的特定聲音。理想的狀況是我們訓練出可以發出某種特定聲音的老鼠，另一群小鼠發出另一種聲音，再用基因操控去看它們能不能互相模仿對方。

是什麼控制著物種模仿聲音的動機呢？

我們提出了一個假設，但還需要更多證據來證明。小孩通常不會從教他們說話的人身上學說話，他們更容易通過傾聽並複述其他人說話並獲得獎賞這個過程中進行學習。這其中包含了社會互動問題。當你說「爸爸」或者完成了一個完整的句子，你的父母會將你抱起並給你一個擁抱作為鼓勵。

我們認為正面反饋是聲音學習機制的一部分。

聽自己同類聲音的錄音的鳥長大後並不能模仿聽到的聲音。他們發出的聲音是異常的。但如果與他們相處的是活的鳥類，即使他們來自不同種族，他們也會對其他鳥類的聲音進行模仿。鳥類更傾向於模仿其他種族的活鳥，而非模仿自己種族的錄音。社會互動及從其他生物獲得反饋的過程對聲音的模仿有決定性作用。

這就是為什麼人類沒辦法模仿全部鳴禽的聲音。我的一個博士學生Constantina Theofanopoulou和我共同發表了一篇論文，提出催產素（一種親密荷爾蒙）可能控制著聲音學習的社交機制。當孩子說出「爸爸」時會得到拍拍背或者一個微笑作為反饋，這種反饋給了孩子被獎勵的感覺。這種感覺在聲音學習通路中釋放催產素，從而強化聲音學習通路中如何發聲的記憶。

你對鳥類的研究對人類的口語有何意義呢？

我們一直在研究一種叫做FOXP2的基因。這種基因在人類的突變會造成語言障礙。攜帶FOXP2基因突變的人有著良好的聽覺能力，他們能夠相對較好地在認知和聽覺層面上理解語言。但他們很難發出聲音。將這個基因從鳴禽的腦中取出後，它們也出現了無法模仿聲音的癥狀。所以我們最初認為該基因對聲音學習有決定作用。

但是我們最近發現，提取人類變異基因植入小鼠的基因組，它們仍然能發出聲音，只是無法發出雌性小鼠喜歡的更複雜、先天的聲音序列。這個現象啟發我們，這個基因可能已經存在於老鼠體內了，並被用於進行聲音排序，它的存在可能比高級的聲音學習進化更早。人類和鳴禽比小鼠更依賴這個基因。它也說明了，我們可以使用小鼠、鳴禽，結合連續理論，作為研究語言障礙的模型。

但在此之前，我們要先去研究鳴禽和人類腦區的對比，以及其中同源與聚合的細胞類型都是什麼。

你最初並沒有投身科學，而是學習舞蹈。它對你的科學追求有何影響？

我在高中時是一名舞者。我大部分的家庭成員，尤其是我母親這邊，都是從事表演藝術的。我在紐約的表演藝術高中就讀，主修芭蕾舞。我也學過一些爵士和非洲舞蹈。在我高中畢業之後，我聽從了我媽從小到大教導我的道理：做對社會有正面作用的事。我認為從事科研工作比做舞者能更好地影響社會，而且我也的確非常喜歡科學。我學習成為一名舞者的過程也教會了我如何成為一名科研工作者。

作為一名科研工作者，你需要非常自律，而我已經從大量的舞蹈練習中學到了。你還需要有創新精神，就如同要設計舞蹈動作。你需要在成功之前成熟很多次失敗。很多實驗不只失敗一兩次，練舞也是這樣。另外，科研和舞蹈一樣，都不是朝九晚五的工作，他們都是需要抱以巨大的熱情去做的工作。

你現在還跳舞嗎？

還在跳。我想總有一天我會停止跳舞，但直到現在還沒有停下來[笑]。我上大學後跳了好多年的非洲舞，直到我去杜克大學當教授也還沒有停止。然後，大概六年前，我改跳薩薩舞，在來紐約前還會和科博兄弟舞蹈團一起表演。

你提到了你的母親對你成為科學家的影響。那你父親呢？

我的父母都在高中學習音樂和藝術，並成為了歌手。但是我的父親對科學有很大熱情，在大學的時候他的專業是化學。後來他因為有了我們四個孩子而輟學，與社會也有些脫節了。我的父母最終離婚了。雖然在6歲之後我就沒在和父親一起生活，我還是常常見到他。他影響著我的思考：他試圖成為一名科學家是為了什麼？他試著去解釋宇宙奧秘和文明起源。某種程度上，我認為我繼承了他未竟的事業。是他的熱情影響了我。

作為一名非洲裔美國人，他獲得的機會比我少得多。比如他會覺得自己被一些老師區別對待了。他學習非常用功，在小學和初中跳了兩級。他過世前給我講過，他從布朗克斯的一座少數族裔學校出來，被安排在一所都是白人的學校里，他認為學校的老師都厭惡他並且有意在考試上刁難他。這樣的經歷也影響著我，影響我思考作為有色人種意味著什麼。我也有孤立的感覺：即使在本科的時候，我參加的國際學術會議也基本都是白人。我去杜克大學之後，即使在南方有更多非裔美國人口，在校園裡仍舊不是這樣的情景。我開始留意人們的想法。他們沒有意識到自己說出了種族歧視的話，比如當我去面試研究生的時候，有人告訴我：不要去紐黑文的那片區域，那裡是黑人和波多黎各人的居住區，那裡挺危險的。我會想，我剛剛聽到了什麼？或者我會成為史上第一個獲得某獎項的非裔美國人，有人也許會暗示說，我是因為膚色才得了這個獎。

就像我母親說的：「你不能只做到和他們一樣好，你需要做到更好。」對於一個有少數族裔背景的人來說，這句話司空見慣了。

在你執教的過程中，你致力於發展針對少數族裔學生的項目，找他們來洛克菲勒從事研究。你的經歷對此有何影響？

有很多既有才華又努力的人，但他們並沒有得到平等的機會，他們的才能和努力都無處發揮。亨特學院給了我一個機會。我們一起在洛克菲勒執行一個項目，把本科學生帶入到高強度的科研機構、諾貝爾得主實驗室中，給這些學生一個機會。

我們應該開始「修補漏水的水管」了，支持少數族裔作為博士後和教職人員把他們留在科學領域裡。霍華德·休斯醫學研究所的一個新項目，提供了八年的獎學金。這個項目叫做漢娜·H·格雷研究計劃，它是以一名前董事的名字命名的。我們應該修正社會的思維方式。我們在研討會和課堂上討論著無意識偏見，並為受到偏見影響的人創造機會，使他們相信自己的價值。我相信榜樣的力量。

不同背景的人對科學是有價值的。當背景多樣時，你需要去注意文化差異的同時，文化差異本身也會產生新點子（好點子）。毋庸置疑，多樣性使得科學進程更加廣闊和更有效率。

翻譯：史天校對/編輯：EON原文：https://www.quantamagazine.org/erich-jarvis-in-birds-songs-brains-and-genes-he-finds-clues-to-speech-20180130/

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