通过观察大脑化学信号的 ebb 和 flow，研究人员开始解开内在学习动机的分子机制。在一项对斑马雀的新研究中，研究员们展示了一次多巴胺的冲击告诉幼鸟它们的歌曲练习是否有成效。研究结果表明，多巴胺在缺乏外部激励的情况下，充当一种内部“指南针”，引导它们的学习。
在杜克大学的德罕家中办公室，神经科学家理查德·穆尼展示了一系列鸟类大脑在吟唱时的图像。
其中一幅，类似点彩画，呈现了年轻斑马雀为听起来更像成年鸟而进行的无数次尝试。在另一个图中，弯曲的线条描绘了鸟类大脑奖赏回路中化学信号的 ebb 和 flow。
“它们的歌曲一开始听起来毫无价值，”对鸟类歌曲进行了四十年研究的穆尼说道。
那是因为一些事情需要相当的练习才能掌握。没人会第一次走进网球场就能打出温布尔登级别的比赛，或者学习钢琴后一夜之间变成演奏家。
同样，在斑马雀中，雏鸟一开始没有能力发出它们标志性的颤音、鸣叫和啾啾声。它们需要一段时间才能掌握。
“幼鸟为了实现发声的掌握付出了巨大的努力，”穆尼说。“它们需要大约一个月的持续每天约一万次的练习。”
年轻的雀鸟一小时接一小时，日复一日地坚持，即使在无人倾听的情况下。它们对掌握的动机来自内心。现在，新研究揭示了其内在学习歌曲愿望的大脑信号；这也对理解人类学习和神经系统疾病具有重要意义。
得益于新工具和技术，包括机器学习的进展以及追踪大脑中微妙而迅速的化学波动的能力，穆尼和杜克大学神经生物学教授约翰·皮尔森开始解开驱动自身学习的分子信号。
在3月12日发表在《自然》杂志上的新研究中，团队将雄性幼斑马雀放入个别的隔音房间，在那里它们可以随意练习歌曲。
在斑马雀中，只有雄性会唱歌；幼鸟在生活的早期就通过仔细聆听父亲并记住他的歌曲来学习求偶歌曲。然后，像婴儿学习说话一样，它们开始发出呓语，它们的尖叫声逐渐变得更像歌曲。通过练习它们的歌曲并倾听结果，它们逐渐找到了如何产生正确的音符和节奏以匹配父亲歌曲的心理模板。
一只斑马雀雏鸟大约需要三个月从孵化到成为熟练的歌手。
对穆尼来说，作为一名长期的摇滚乐迷，这些雄鸟的练习阶段有点像披头士乐队的执拗录音过程。“披头士可能会录制一百遍，”穆尼说。类似地，“这些鸟歌曲数据集增长得如此之快。”
这就是皮尔森团队的作用所在。为了处理数据，他们开发了一种可以分析成千上万个歌曲版本并为每个尝试评分的机器学习模型。
“这样我们可以在每一时刻跟踪学习进展，”皮尔森说。
“有些尝试表现得稍微好一点，有些则稍微差一点，”他补充道。一般来说，鸟类努力的时间越长，它们的表现就越好。
随着鸟类逐渐掌握自己的旋律，团队还测量了释放在鸟类基底神经节中的多巴胺水平，这是大脑中与学习新运动技能相关的部分。
多巴胺是大脑中的一种化学信使，传递关于学习、奖励和动机的重要信号，从一个神经元到另一个神经元。
为了监测多巴胺，研究人员使用由基因修饰的蛋白质制成的小传感器，当特定的神经化学物质在大脑中释放时会发光。这项技术使得追踪对基于测量电信号的常用方法基本上是不可见的大脑活动成为可能。
他们的发现令他们感到惊讶。每当一只鸟练习时，鸟类基底神经节中的多巴胺水平开始上升。这并不重要是否它们打对了所有音符或偏离了音准。换句话说，任何歌唱的努力都会激活大脑奖赏通路中的信号。
鸟类在表现好于其年龄时，多巴胺的激增更显著。信号在它们退步时稍微减弱。
歌唱表现越好，多巴胺水平增加越多，第一作者贾玄齐说道，她在杜克大学进行这项研究作为其神经生物学博士的一部分。
早已知道，多巴胺在动物和人类如何从外部奖励和惩罚中学习中发挥着重要作用。
例如，考虑一个孩子学习是因为他们想获得好成绩或避免责骂。又如考虑一只老鼠学习按杠杆获取食物。
但鸟类并不需要胡萝卜或棍子来学习如何唱歌。因为在练习期间，鸟类单独待在隔音房间里，尽情地唱着，所以它们并没有得到任何关于自己表现的外部反馈。
“没有人告诉鸟，它是超优秀的学生，还是会被罚留校，”穆尼说。
相反，研究结果表明，多巴胺像一种内部“指南针”，引导它们的学习。
该团队的研究有助于解释即使在缺乏外部激励的情况下，学习仍然会发生。研究人员还发现，多巴胺并不是这种学习所需的唯一化学信号。
贾玄齐能够展示另一种化学信使乙酰胆碱可以在鸟类唱歌时触发其大脑中的多巴胺释放。它通过结合到神经元的不同部位工作，使鸟在演唱其歌曲时获得额外的多巴胺激励。
当鸟类服用药物阻断基底神经节中的多巴胺或乙酰胆碱信号传导时，鸟类的进展会减少，贾补充道。
“学习基本上陷入停顿，”穆尼说。“鸟仍然歌唱很多，但似乎无法从中学习。”
潜在的影响超越了鸟类大脑，穆尼说。
“这些发现可以跨物种迁移，”皮尔森说道。“参与的脑区和神经化学物质——即基底神经节、多巴胺和乙酰胆碱——是老鼠、灵长类、人类所共有的。基本上每一种有脊椎的动物。”
研究鸟类如何学习歌曲可以帮助研究人员更好地理解人类如何学习其他运动技能，例如说话、玩杂耍或演奏乐器。从这个意义上讲，穆尼表示，“鸟类歌曲学习与儿童在自发获得这些显著技能时的方式非常相似。”
基底神经节中的多巴胺信号障碍也与多种疾病有关，包括帕金森病和精神分裂症。
“理解这些区域非常重要，而鸟类是接触这些原则的一种手段，”皮尔森说。
“在所有仍未被解开的科学前沿中，大脑可能是理解最差的，而且这对成为人类是根本性的，”穆尼说。
这项研究得到了国家卫生研究院（5R01 NS099288，RF1 NS118424，F32 MH132152 和 F31 NS132469）的拨款支持。
