斷鳴管神經(jīng)支對(duì)白腰文鳥鳴聲的影響

林桂霞，鄭志強(qiáng)，呂 源，王松華，王怡淳，吳 敏，李東風(fēng)

(華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣州510631)

鳥類是自然界中具有復(fù)雜發(fā)聲行為的動(dòng)物. 對(duì)鳥類發(fā)聲行為的研究己經(jīng)成為探討語言學(xué)習(xí)記憶神經(jīng)機(jī)制的熱點(diǎn)［1］.

鳴管是鳥類特有的發(fā)聲器官，位于氣管和支氣管的交界處.支配鳴肌收縮的神經(jīng)支為氣管鳴管支(NXIIts)，它是舌下神經(jīng)(NXII)自延髓發(fā)出后的一條分支.鳥類的發(fā)聲是在發(fā)聲中樞控制下由NXIIts支配鳴肌收縮而產(chǎn)生的［2］.

白腰文鳥(White-rumped Munia，Lonchura striata)，又稱十姐妹，為燕雀目金腹科鳴禽.其聲音信號(hào)具有高度的重復(fù)性和規(guī)律性，是研究鳴聲學(xué)習(xí)理想的模型動(dòng)物.目前對(duì)其發(fā)聲行為的神經(jīng)機(jī)制、發(fā)聲行為的性別差異等已有相關(guān)的報(bào)道［3－7］. 但目前尚無斷鳴管神經(jīng)對(duì)白腰文鳥叫聲性別差異的報(bào)道.

本實(shí)驗(yàn)采用聲譜分析的方法，對(duì)斷鳴管神經(jīng)前后的白腰文鳥鳴聲進(jìn)行聲學(xué)特征的比較和分析，進(jìn)一步探討鳥類發(fā)聲器官神經(jīng)支配的側(cè)別優(yōu)勢(shì)及雄雌差異，為進(jìn)一步了解鳥類發(fā)聲機(jī)制提供新的認(rèn)識(shí).

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)用有效成年白腰文鳥12 只，體質(zhì)量10～13 g，購于廣州花地灣市場(chǎng)，置于華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院動(dòng)物房飼養(yǎng).自然采光，室溫25℃，供給飼料和水.實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用符合國(guó)家和學(xué)校動(dòng)物倫理委員會(huì)規(guī)定并遵守國(guó)際慣例.

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)一周后便可進(jìn)行正常叫聲的采集，采集叫聲后分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn). 雄鳥左右組各3 只(斷神經(jīng)先左后右3 只，先右后左3 只)，雌鳥亦然.

用10%的水合氯醛輕度麻醉動(dòng)物后，切開頸部皮膚，在氣管兩側(cè)暴露出鳴管神經(jīng).剪斷一側(cè)鳴管神經(jīng)后，縫合皮膚.3 d 后待叫聲穩(wěn)定，便可進(jìn)行鳴叫聲音的采集.然后斷另一側(cè)鳴管神經(jīng)，同法再采集鳴叫聲音.

錄制的音頻文件用Cool Edit Pro 軟件進(jìn)行整理和篩選，并用Wavesurfer 軟件進(jìn)行波形、語圖等的采集和分析.制作波形圖(waveform)、語圖(sonogram)和功率頻譜圖(power spectrum). 用Photoshop 軟件作圖.再利用SAP 軟件分析音節(jié)時(shí)長(zhǎng)(Syllable duration，SD)、振幅(Amplititude，Amp)、基頻(Fundamental frequency，F(xiàn)F)、主 頻(Principal frequency，PF)、相對(duì)幅值(Relative amplititude，RA)、調(diào)頻(Frequency modulation，F(xiàn)M)、調(diào)幅(Amplititude modulation，AM)和熵(Entropy). 數(shù)據(jù)進(jìn)行組內(nèi)單因素方差分析，用均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(mean ±SE)表示. 對(duì)手術(shù)前后的值進(jìn)行t 檢驗(yàn)分析.

實(shí)驗(yàn)結(jié)束，解剖檢查性腺，確認(rèn)性別.

2 結(jié)果與分析

2.1 白腰文鳥的正常鳴叫

2.1.1 雄鳥鳴叫與鳴唱 圖1A 是單次鳴叫的波形圖，可見單個(gè)脈沖即為單音節(jié). 正常情況下，鳴叫時(shí)SD 為(724.8 ±12.50)ms. 圖1B 是語圖，橫軸表示時(shí)間，縱軸表示頻率，顏色的深淺表示能量的大小.能量主要集中在2～5 kHz 的頻率范圍，具有諧波.圖1C 是功率頻譜圖，PF 為3 843 Hz.

成年雄鳥能夠鳴唱.每首鳴曲由若干短語組成.圖2 顯示，鳴曲序幕音i 之后，由a、b、c 短語交替出現(xiàn)，每個(gè)短語又由幾個(gè)不同音節(jié)組成.

圖1 成年雄性白腰文鳥正常鳴叫的波形圖(A)、語圖(B)、和功率頻譜圖(C)Figure 1 Waveform (A)，sonogram (B)and power spectrum (C)of normal calls in adult male of White-rumped Munia

圖2 成年雄性白腰文鳥的鳴曲波形圖Figure 2 Normal song waveform in adult male White-rumped Munia

2.1.2 雌鳥鳴叫 成年雌鳥只會(huì)鳴叫.單次鳴叫聲為單音節(jié).能量主要集中在2～6 kHz，SD 為(378.59±43.38)ms.頻率范圍0～7 kHz 之間. PF 為3 907 Hz(圖3).

2.1.3 兩性白腰文鳥正常鳴叫的聲學(xué)參數(shù)比較對(duì)各項(xiàng)聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)叫聲存在明顯的性別差異.雄鳥的SD、Amp 和Entropy 都明顯高于雌鳥，而RA、AM、FM 卻明顯低于雌鳥，PF 和FF 差異不大(圖4).

2.2 斷雄性白腰文鳥鳴管神經(jīng)支對(duì)其鳴叫的影響

雄性白腰文鳥斷左側(cè)NXIIts 后，音量變小，音調(diào)變低. 2 kHz 以上的高頻聲音減少，尤其是7 kHz以上的高頻聲音幾乎消失，而2 kHz 以下的低頻聲音則增多. 主頻率部分對(duì)應(yīng)的音量明顯變小. SD、PF，Entropy 均下降，RA 增加.

斷右側(cè)NXIIts 后，多數(shù)鳴叫聲學(xué)參數(shù)幾乎沒有發(fā)生變化. 只有Entropy 下降.

斷雙側(cè)NXIIts 后，音量、音調(diào)和音色都嚴(yán)重受到影響.SD、PF、Entropy 下降，RA 增加(圖5).

2.3 斷雄性白腰文鳥鳴管神經(jīng)支對(duì)其鳴唱的影響

與正常鳴唱相比(圖6A)，斷左側(cè)NXIIts 后，雄鳥鳴唱音量降低，部分音節(jié)消失，音色大減. 音節(jié)序列發(fā)生明顯變化(圖6B).斷右側(cè)NXIIts 后，除了脈沖形狀稍有變化外，鳴曲的多數(shù)音節(jié)和短語都未受到較大影響(圖6C).斷雙側(cè)NXIIts 后，導(dǎo)致鳴曲音量變小、音調(diào)變低、音色變差(圖6D).

2.4 斷雌性白腰文鳥鳴管神經(jīng)支對(duì)其鳴叫的影響

雌性白腰文鳥斷左側(cè)NXIIts 后，叫聲音調(diào)變低.1～3 kH 之間的頻率成分明顯增多，而音節(jié)整體的頻率范圍基本不變. PF 下降，Entropy 增加. 斷右側(cè)NXIIts 后，音量、音調(diào)和音色幾乎沒有變化.PF 有所下降. 斷雙側(cè)NXIIts 后，音量下降、音調(diào)降低. 4 kHz 以下的頻率成分增多. SD、PF、Entropy 下降，RA 增加(圖7).

圖4 雄雌白腰文鳥鳴叫聲學(xué)參數(shù)對(duì)比Figure 4 Call comparison of acoustic analysis in male and female White-rumped Munia

圖5 雄鳥斷神經(jīng)前后各聲學(xué)參數(shù)的變化Figure 5 Comparison of acoustic analysis before and after section of NXIIts in male White-rumped Munia

圖6 雄鳥斷鳴管神經(jīng)支前后鳴曲的語圖對(duì)比Figure 6 Songs before and after section of NXIIts in adult male White-rumped Munia

圖7 雌鳥斷神經(jīng)前后各聲學(xué)參數(shù)的變化Figure 7 Comparison of acoustic analysis before and after section in female White-rumped Munia

3 討論

3.1 成年雄性白腰文鳥鳴管神經(jīng)的左側(cè)優(yōu)勢(shì)

鳴禽發(fā)聲的側(cè)別優(yōu)勢(shì)一直為鳥聲研究領(lǐng)域所關(guān)注.NXIIts 嚴(yán)格的側(cè)別優(yōu)勢(shì)使得鳴禽控制聲音的能力加強(qiáng)，鳴聲變化幅度大［2］. 本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于雄鳥的鳴叫聲，斷左側(cè)鳴管神經(jīng)支將導(dǎo)致音節(jié)時(shí)長(zhǎng)變短、音調(diào)降低、主頻率及音節(jié)整體音量下降;斷右側(cè)鳴管神經(jīng)支則導(dǎo)致音節(jié)整體音量增加、調(diào)頻一致性和音節(jié)穩(wěn)定性增強(qiáng);斷雙側(cè)鳴管神經(jīng)支后音節(jié)時(shí)長(zhǎng)變短、音調(diào)降低、主頻率及音節(jié)整體音量下降.無論切斷哪側(cè)鳴管神經(jīng)支，都對(duì)成年雄性白腰文鳥調(diào)節(jié)頻率的能力沒有顯著影響. 出現(xiàn)上述結(jié)果可能是因?yàn)樽髠?cè)鳴管神經(jīng)支能產(chǎn)生較高的音量和較高的頻率，而右側(cè)則主要產(chǎn)生較低的音量和2 kHz 以下的較低的頻率［6］，因此，斷左側(cè)音節(jié)整體音量下降且音調(diào)較低，而斷右側(cè)音節(jié)整體音量增加且對(duì)音調(diào)沒有較大影響.正常雄鳥發(fā)聲時(shí)由于兩側(cè)鳴管神經(jīng)的協(xié)調(diào)作用，因此叫聲的頻率變化較大，而斷右側(cè)鳴管神經(jīng)后頻率和音節(jié)更趨于一致，因此調(diào)頻一致性和音節(jié)穩(wěn)定性增強(qiáng).

本研究對(duì)雄鳥的鳴曲進(jìn)行斷神經(jīng)前后對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，斷左側(cè)鳴管神經(jīng)后音量、音調(diào)和音色的損傷程度都比斷右側(cè)的嚴(yán)重，這與Secora 等［6］和Urbano等［7］的研究結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了成年雄性白腰文鳥發(fā)聲的左側(cè)優(yōu)勢(shì).

對(duì)于雌鳥的鳴叫聲，左側(cè)斷神經(jīng)對(duì)其聲音的損傷也較大，但具體情況有些不同. 經(jīng)過對(duì)比分析，可以推測(cè)雌鳥左側(cè)鳴管神經(jīng)支主要產(chǎn)生高頻率的聲音，并具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)音調(diào)和音量的能力，而右側(cè)鳴管神經(jīng)支的作用則比較小. 而雌鳥的音節(jié)時(shí)長(zhǎng)和音量則受左右側(cè)鳴管神經(jīng)共同作用，只損傷一側(cè)鳴管神經(jīng)對(duì)音節(jié)時(shí)長(zhǎng)和音量影響并不大，這可能是因?yàn)閮蓚?cè)神經(jīng)控制音節(jié)時(shí)長(zhǎng)和音量的能力差異不同所致，當(dāng)損傷一側(cè)神經(jīng)時(shí)，另一側(cè)神經(jīng)可以補(bǔ)償.

成年白腰文鳥的NXIIts 可單側(cè)支配鳴肌，并且具有左側(cè)優(yōu)勢(shì).兩性相同點(diǎn)在于兩側(cè)鳴管神經(jīng)支既相互協(xié)調(diào)又各有側(cè)重，且左側(cè)鳴管神經(jīng)支對(duì)聲音的調(diào)控作用比右側(cè)強(qiáng)，左側(cè)側(cè)重于產(chǎn)生較高頻率的聲音，而右側(cè)鳴管神經(jīng)則能產(chǎn)生較高的熵值，使得音節(jié)穩(wěn)定性和調(diào)頻一致性增強(qiáng).兩性不同點(diǎn)在于，雄鳥左側(cè)鳴管神經(jīng)能產(chǎn)生較高的音量和較長(zhǎng)的音節(jié)，而雌鳥的音量和音節(jié)時(shí)長(zhǎng)兩側(cè)均可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，并且兩側(cè)神經(jīng)對(duì)這方面的調(diào)節(jié)能力差異不大，只有斷雙側(cè)才能對(duì)音量，音調(diào)，音色和音節(jié)時(shí)長(zhǎng)產(chǎn)生明顯影響.

鳴禽發(fā)聲的左側(cè)優(yōu)勢(shì)，與其高位發(fā)聲中樞有左側(cè)優(yōu)勢(shì)有關(guān)，即左側(cè)HVC 和RA 的體積都大于右側(cè)［8］.中樞的差異直接導(dǎo)致外周神經(jīng)支配的差異.

3.2 成年白腰文鳥鳴聲的性別差異

本研究證實(shí)了白腰文鳥的鳴聲存在兩性差異.正常情況下，雄鳥能鳴唱而雌鳥不能，并且雄鳥鳴叫的音節(jié)時(shí)長(zhǎng)比雌鳥長(zhǎng)，音節(jié)的幅值比雌鳥高，音節(jié)的頻率范圍比雌鳥廣，調(diào)節(jié)音量的能力比雌鳥強(qiáng)，但調(diào)頻一致性、頻率調(diào)節(jié)能力和音節(jié)穩(wěn)定性比雌鳥差.總體上雄鳥的鳴聲更具優(yōu)勢(shì).

鳥類的發(fā)聲是由高級(jí)發(fā)聲中樞(HVC)通過延髓舌下神經(jīng)氣管鳴管亞核(nXIIts)支配鳴肌收縮而實(shí)現(xiàn)的.因此，白腰文鳥鳴聲的這種性別差異與其發(fā)聲控制的核團(tuán)必然存在聯(lián)系. 李東風(fēng)等認(rèn)為鳴禽鳴囀能力表現(xiàn)出顯著的性別差異，原因在于發(fā)聲學(xué)習(xí)相關(guān)的核團(tuán)體積存在顯著的性二態(tài)性，并且與體內(nèi)的激素調(diào)節(jié)存在一定的聯(lián)系［9－10］.曾少舉等［5］和董銀蘭等［11］研究也表明，白腰文鳥的發(fā)聲控制核團(tuán)存在性雙態(tài)性，具體表現(xiàn)在，雄鳥的3個(gè)發(fā)聲控制核團(tuán)均大于雌鳥，并且核團(tuán)中的神經(jīng)元的數(shù)量均超過雌鳥，但神經(jīng)元的密度小于雌鳥.正是由于雄鳥在核團(tuán)體積和神經(jīng)元上數(shù)量及密度上的優(yōu)勢(shì)，使得雄鳥擁有更多的神經(jīng)元參與鳴聲學(xué)習(xí)，同時(shí)由于血液中具有較高的睪酮水平，使得雄鳥不僅更善于鳴叫，也具有區(qū)別于雌鳥的鳴唱行為.

正常雄鳥的調(diào)頻一致性、頻率調(diào)節(jié)能力和音節(jié)穩(wěn)定性比雌鳥差，說明雌鳥在頻率控制方面更具優(yōu)勢(shì)，出現(xiàn)此種差異可能是雌鳥頻率變化范圍小的原因造成的.正是由于頻率變化范圍較小，因此頻率的一致性和音節(jié)的穩(wěn)定性相對(duì)較高，F(xiàn)M 的值也因此而提高.此外鳴肌的發(fā)育程度差異可能也是影響雌雄白腰文鳥鳴聲差異的重要因素［2］.

目前關(guān)于鳴禽鳴管神經(jīng)的側(cè)別優(yōu)勢(shì)存在左右側(cè)之爭(zhēng).曾賢燕等曾報(bào)道斑胸草雀存在右側(cè)優(yōu)勢(shì)［12］.不同鳴禽側(cè)別支配的差異原因尚有待闡明.

［1］李東風(fēng)，藍(lán)書成. 鳥類鳴叫學(xué)習(xí)機(jī)理研究回顧［J］. 生理科學(xué)進(jìn)展，1991，22(4):324－328.Li D F，Lan S C. Review of study of song learning in bird［J］. Progress in Physiological Science，1991，22(4):324－328.

［2］耿慧，李東風(fēng)，蔣錦昌. 鳥類的發(fā)聲器官與調(diào)控機(jī)制［J］. 生物物理學(xué)報(bào)，2005，21(6):397－403.Geng H，Li D F，Jiang J C. Avian vocal organ and vocal control mechanism［J］. Acta Biophysica Sinica，2005，21(6):397－403.

［3］Okanoya K. The Bengalese Finch:A window on the behavioral neurobiology of birdsong syntax［J］. Annals of the New York Academy of Sciences，2004，1016:724－735.

［4］左明雪，曾少舉，彭衛(wèi)民，等. 白腰文鳥發(fā)聲行為的神經(jīng)發(fā)育［J］.動(dòng)物學(xué)報(bào)，2002，48(1):50－57.Zuo M X，Zeng S J，Peng W M，et al. Neural development of vocal behavior in Striated manikin (Lonchura striata swinhoei)［J］. Acta Zoological Sinica，2002，48(1):50－57.

［5］曾少舉，左明雪，張信文.白腰文鳥發(fā)聲行為的性別差異及其機(jī)制［J］.動(dòng)物學(xué)研究，2001，22(1):51－57.Zeng S J，Zuo M X，Zhang X W. The mechanism of sexual difference of vocalization in Lonchura striata swinhoei［J］. Zoological Research，2001，22(1):51－57.

［6］Secora K R，Peterson J R，Urbano C M，et al. Syringeal specialization of frequency control during song production in the bengalese finch (Lonchura striata domestica)［J］.PLoS ONE，2012，7(3):e34135.

［7］Urbano C M，Peterson J R，Cooper B G. Exploring vocal recovery after cranial nerve injury in bengalese finches［J］. Neuroscience Letters，2013，534:112－116.

［8］左明雪，藍(lán)書成. 鳴禽發(fā)聲控制神經(jīng)通路的左側(cè)優(yōu)勢(shì)［J］. 生物學(xué)通報(bào)，1989(3):7－9.Zuo M X，Lan S C. Left side dominance of vocal control pathway in songbirds［J］. Bulletin of Biology，1989(3):7－9.

［9］李東風(fēng)，左明雪，藍(lán)書成，等. 鳴禽前腦發(fā)聲控制核團(tuán)的雌雄差別［J］.動(dòng)物學(xué)報(bào)，1992，38(3):298－301.Li D F，Zuo M X，Lan S C，et al. Sex differences of vocal control nuclei in the forebrain of songbirds［J］. Acta Zoological Sinica，1992，38(3):298－301.

［10］李東風(fēng)，李杰. 鳴禽鳥發(fā)聲行為的激素調(diào)節(jié)［J］. 動(dòng)物學(xué)研究，1999，20(1):62－66.Li D F，Li J. The hormonal regulation of vocal behavior in songbirds［J］. Zoological Research，1999，20(1):62－66.

［11］董銀蘭，張海珠. 白腰文鳥前腦發(fā)聲控制核團(tuán)的雄雌差異研究［J］.山西師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，20(1):76－79.Dong Y L，Zhang H Z. The sexual difference of vocal control nuclei of forebrain in White-rumpoed Munia［J］. Journal of Shanxi Teachers University，2006，20(1):76－79.

［12］曾賢燕，李東風(fēng). 成年雄性斑胸草雀前腦與中腦對(duì)習(xí)得性發(fā)聲控制的側(cè)別差異［J］. 動(dòng)物學(xué)研究，2013，34(1):1－7.Zeng X Y，Li D F. Lateral differences in the forebrain and midbrain control of learned vocalizations in adult male Zebra Finch (Taeniopygia guttata)［J］. Zoological research，2013，34(1):1－7.