江文科， 李東風(fēng)

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

鳴管神經(jīng)支對虎皮鸚鵡鳴叫聲的支配

江文科， 李東風(fēng)*

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

以虎皮鸚鵡(Melopsittacus undelafus)為材料，共有6對在舌下神經(jīng)氣管鳴管支(NXIIts)分別進行單側(cè)和雙側(cè)切斷處理，用聲譜分析軟件Wavesurfer和Sound Analysis Pro分析失去神經(jīng)支配前后鳴聲的聲學(xué)變化.結(jié)果表明：斷單側(cè)NXIIts并不引起虎皮鸚鵡鳴聲的改變，斷雙側(cè)則引起虎皮鸚鵡鳴聲的顯著性改變，證明NXIIts在亞鳴禽鳴聲的聲學(xué)特性方面有重要的調(diào)控作用，且NXIIts對鳴肌的調(diào)控是雙側(cè)性的.即單側(cè)NXIIts能控制左右兩側(cè)的鳴肌.

虎皮鸚鵡； NXIIts； 鳥鳴

鳥類被認(rèn)為是自然界中除人類外最具有復(fù)雜發(fā)聲行為的動物，其鳴聲傳遞著豐富的生物學(xué)信息[1].按照鳴聲的生物學(xué)意義，可將虎皮鸚鵡的鳴聲分為四類，即單次叫聲、變調(diào)叫聲、單音節(jié)抗議叫聲和多音節(jié)抗議叫聲[2].其中單次叫聲與虎皮鸚鵡的自語、提醒和聯(lián)絡(luò)等行為活動有關(guān)[3]，是其具有種的特異性的叫聲，可作為研究虎皮鸚鵡鳴聲改變的重要觀察對象.

虎皮鸚鵡作為研究亞鳴禽發(fā)聲控制機制的主要動物模型，僅有單聲源和一對鳴膜，且這對鳴膜不能獨立發(fā)聲.由舌下神經(jīng)氣管鳴管亞核(nXIIts)發(fā)出的鳴管神經(jīng)支(NXIIts)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)與鳴禽差別顯著，目前已經(jīng)闡明同屬的牡丹鸚鵡發(fā)聲運動通路中發(fā)聲高級中樞(RA)對發(fā)聲低級中樞nXIIts及對鳴肌的調(diào)控都是雙側(cè)性的[4]，但NXIIts對鳴肌的調(diào)控是否也是雙側(cè)性不清楚，目前無相關(guān)報道.本文通過對虎皮鸚鵡斷NXIIts來觀察其對鳴肌的調(diào)控，完善亞鳴禽的發(fā)聲運動通路機制.

1　材料與方法

1.1實驗材料

成年虎皮鸚鵡，年齡大于90 d，購于廣州花地灣花鳥蟲魚市場.成對飼養(yǎng)于籠內(nèi)，各籠同養(yǎng)一鳥房，自然采光，喂食帶殼小米，彼此能正常視聽，籠養(yǎng)2周后進行實驗.

本實驗共使用12只健康的成年虎皮鸚鵡，一雌一雄搭配成6對虎皮鸚鵡.隨機選其中3對先斷左側(cè)鳴管神經(jīng)支，后斷右側(cè)鳴管神經(jīng)支，作為實驗組1.剩余3對先斷右側(cè)鳴管神經(jīng)支，后斷左側(cè)鳴管神經(jīng)支，作為實驗組2.實驗組1和實驗組2是平行對照，實驗組內(nèi)實驗前分別與先斷一側(cè)鳴管神經(jīng)支后和再斷另一側(cè)鳴管神經(jīng)支后形成對照.實驗組內(nèi)雌雄各有3次重復(fù)，每對鳥選取5個聲音片段，共組成15個重復(fù)進行統(tǒng)計分析，以避免個體和性別差異帶來的誤差.

1.2實驗方法

1.2.1NXIIts切斷術(shù)虎皮鸚鵡胸大肌注射約0.12 mL體積分?jǐn)?shù)為10%水合氯醛進行輕度麻醉后固定.而后切開皮膚，在氣管側(cè)面由玻璃分針分離出兩側(cè)鳴管神經(jīng)支，剪去約0.5 cm，縫合皮膚切口.術(shù)后將鳥回籠飼養(yǎng)二周，期間用帶殼小米及水喂養(yǎng)，以防傷口感染.

1.2.2鳴聲錄制DVR556 Recorder錄音設(shè)備錄取手術(shù)前后的鳥鳴聲，麥克風(fēng)距離鳥籠大約10 cm.手術(shù)前后各鳥均進行3次有效聲音采樣，術(shù)前聲音采樣在鳥籠養(yǎng)2周適應(yīng)環(huán)境后進行，術(shù)后第14天開始連續(xù)采樣3 d，采樣率均為44 100 Hz，立體聲，16位分辨率，保存為.wav格式的音頻文件.

1.2.3鳴聲分析鳴聲分析主要集中在兩大聲學(xué)特征：時域特征和頻域特征.

鳴聲時域特征反映了脈沖隨時間的變化規(guī)律，用于描述鳴聲的時間圖樣，包括音節(jié)時程(Duration)等參數(shù)，常用Wavesurfe(Version 1.88p4)軟件繪制波形圖(Waveform)、語圖(Spectrogram)及能量圖(Power Plot)來分析.鳴聲頻域特征是指鳴聲的頻率結(jié)構(gòu)特點及頻率與振幅的關(guān)系，包括主頻(Peak Frequency)、基頻(Fundamental Frequency)、平均頻率(Mean Frequency)、音質(zhì)(Goodness)、調(diào)頻(Frequency Modulation)、調(diào)幅(Amplitude Modulation)、熵(Entropy)等參數(shù)，常用Sound Analysis Pro軟件讀取.然后用Origin(Version 8.0)軟件對Sound Analysis Pro語圖分析得出的實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，數(shù)值用均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(Mean±SEM)表示，各組數(shù)據(jù)間配對t測驗(Paired-samples T Test)檢驗差異顯著性，P<0.05表示有顯著性差異，P<0.01表示差異極顯著，并繪制數(shù)據(jù)柱形圖.對虎皮鸚鵡斷鳴管神經(jīng)支前后的單次叫聲進行對比.因為虎皮鸚鵡鳴聲中變調(diào)叫聲和多音節(jié)抗議叫聲都是多變調(diào)的復(fù)合聲，所以僅對手術(shù)前后最為常見的單次叫聲進行分析.

2　結(jié)果與分析

2.1NXIIts的解剖學(xué)觀察

在虎皮鸚鵡的發(fā)聲運動通路中，舌下神經(jīng)氣管鳴管亞核發(fā)出鳴管神經(jīng)支調(diào)控鳴肌的活動.其鳴管神經(jīng)支的走行方式是先沿氣管兩側(cè)下行一段距離后，在氣管腹面偏左側(cè)匯合為一支，匯合一段距離后重新發(fā)生分叉沿氣管兩側(cè)走行至相應(yīng)側(cè)的鳴肌，這種走行方式與絕大多數(shù)的鳴禽直接沿氣管兩側(cè)下行至鳴肌的方式明顯不同.這種匯合后又發(fā)生分叉的走行方式為實現(xiàn)舌下神經(jīng)氣管鳴管亞核對鳴肌的雙側(cè)性控制提供了解剖學(xué)基礎(chǔ).但匯合處左右兩側(cè)的鳴管神經(jīng)支中的神經(jīng)纖維是否發(fā)生了部分交換(即鳴管神經(jīng)支對鳴肌的調(diào)控是否雙側(cè)性的)則需要通過斷鳴管神經(jīng)支(切斷部位為匯合前)觀察鳴聲是否發(fā)生改變才能斷定.

2.2正常狀態(tài)的鳴聲

在虎皮鸚鵡雌雄獨處、共處或與其他鳥雜處時都能觀察到大量單次叫聲的存在，甚至在變調(diào)叫聲和多音節(jié)抗議叫聲中作為其中的構(gòu)成音節(jié)存在.單次叫聲在虎皮鸚鵡日常聯(lián)系中占主要地位，常用于獨處時的自語，環(huán)境發(fā)生改變時的提醒或共處時的聯(lián)絡(luò).這體現(xiàn)在虎皮鸚鵡能借助單次叫聲進行此起彼伏的呼應(yīng)，尤其是雌雄間的呼應(yīng)更為頻繁.圖1顯示虎皮鸚鵡單次叫聲的時域特征和頻域特征.

單次叫聲的主頻出現(xiàn)在3 237 Hz(圖1)，頻率主要分布在2～4 kHz和4～8 kHz這2個水平上.經(jīng)統(tǒng)計，神經(jīng)完整時單次叫聲的聲學(xué)參數(shù)中音節(jié)時程為184.7±3.5 ms，振幅為53.6±0.45 dB，主頻為3 561.7±48.9 Hz，基頻為3 404±59.2 Hz，平均頻率為3 567.2±45.8 Hz，調(diào)頻指數(shù)為49.9±0.6，音質(zhì)為239.2±6.6，熵值為-4.7±0.04.

2.3斷左側(cè)NXIIts的影響

單次叫聲的主頻出現(xiàn)在3 851 Hz(圖2)，頻率主要分布在2～5 kHz和6～9 kHz這2個水平上.經(jīng)統(tǒng)計，斷左側(cè)NXIIts后單次叫聲音節(jié)時程為173.1±7.4 ms，振幅為53.9±1 dB，主頻為3 522.5±74.5 Hz，基頻為3 236±99.5 Hz，平均頻率為3 537±72 Hz，調(diào)頻指數(shù)為51.2±1.1，音質(zhì)為247.4±11.5，熵值為-4.5±0.15.這與神經(jīng)完整時單次叫聲的聲學(xué)參數(shù)相近，表現(xiàn)為兩者不存在顯著性差異(圖3 A-H).

切斷左側(cè)NXIIts后，虎皮鸚鵡約有3天的失聲期，3天后發(fā)出微弱的單次叫聲，1周后能基本重演單次叫聲，斷左側(cè)NXIIts對單次叫聲的時域特性和頻域特性未產(chǎn)生明顯影響.

2.4斷右側(cè)NXIIts的影響

單次叫聲的主頻出現(xiàn)在3 572 Hz(圖4)，頻率主要分布在3～4、5～8 kHz. 經(jīng)統(tǒng)計，斷右側(cè)NXIIts后單次叫聲音節(jié)時程為181.6±12.7 ms，振幅為55.2±0.9 dB，主頻為3 959.9±271.1 Hz，基頻為3 557.1±213.9 Hz，平均頻率為3 943.1±260.5 Hz，調(diào)頻指數(shù)為51.1±1.1，音質(zhì)為248.6±12.1，熵值為-4.5±0.08.除熵值外，這與神經(jīng)完整狀態(tài)單次叫聲的聲學(xué)參數(shù)相近，表現(xiàn)為兩者不存在顯著性差異(圖3 A-G).斷右側(cè)NXIIts前后熵值出現(xiàn)了顯著性差異(圖3H)，熵值與鳴聲的離散程度有關(guān)，斷右側(cè)NXIIts后鳴管神經(jīng)支對鳴肌的控制能力下降，鳴聲的離散程度變大.

(A)聲強圖；(B)語圖；(C) 時間波形圖；(D)頻譜圖)

圖1虎皮鸚鵡單次叫聲

Figure 1Single call in Budgerigar

(A)聲強圖；(B)語圖；(C)時間波形圖；(D)頻譜圖

切斷右側(cè)NXIIts后，虎皮鸚鵡約有3 d的失聲期，3 d后發(fā)出微弱的單次叫聲，1周后能基本重演單次叫聲，除了熵值外，斷右側(cè)NXIIts對單次叫聲的時域特性和頻域特性未產(chǎn)生明顯影響.

2.5斷雙側(cè)NXIIts的影響

單次叫聲的主頻出現(xiàn)在2 791、3 851 Hz(圖5)，頻率主要分布在2～5 kHz、5～8 kHz. 經(jīng)統(tǒng)計，斷雙側(cè)NXIIts后單次叫聲音節(jié)時程為181.9±3.4 ms，振幅為38.7±1 dB，主頻為3 075.5±46.7 Hz，基頻為2 839.7±40.9 Hz，平均頻率為3 076.9±46.6 Hz，調(diào)頻指數(shù)為49.4±1.5，音質(zhì)為216.6±17.3，熵值為-5.2±0.11.音節(jié)時程、調(diào)頻能力和音質(zhì)與神經(jīng)完整狀態(tài)時不存在顯著性差異(圖3 A、F、G)，振幅、主頻、基頻、平均頻率和熵值與神經(jīng)完整時存在極顯著差異(圖3 B、C-E、H).

切斷雙側(cè)NXIIts后，虎皮鸚鵡的失聲期明顯增長，1周后才能發(fā)出很微弱的單次叫聲，2周后恢復(fù)正常鳴叫，但不能重演單次叫聲，表現(xiàn)為斷雙側(cè)NXIIts對單次叫聲的時域特性未產(chǎn)生明顯影響，但對其頻域特性有顯著影響.

3　討論

鳴禽腦中具有2條發(fā)聲神經(jīng)通路，分別是發(fā)聲運動通路(VMP)和鳴曲習(xí)得及維持有關(guān)的前端腦通路(AFP)，它們是導(dǎo)致鳴禽鳴聲豐富多樣的神經(jīng)基礎(chǔ)[5].VMP由前腦高級發(fā)聲中樞(HVC)與弓狀皮質(zhì)櫟核(RA)形成突觸，再傳遞到延髓舌下神經(jīng)氣管鳴管亞核(nXIIts)[6]，nXIIts是鳴禽以及亞鳴禽發(fā)聲控制通路的最后一級核團，發(fā)出鳴管神經(jīng)支(NXIIts，第XII對腦神經(jīng)分支)支配鳴肌[7].

A：音節(jié)時程；B：振幅；C：基頻；D：平均頻率：E：主頻；F：調(diào)頻指數(shù)；G：音質(zhì)； H：熵值

虎皮鸚鵡發(fā)聲中樞調(diào)控機制具有與鳴禽相似的VMP和可能用于鳴唱學(xué)習(xí)的AFP[8-11].在發(fā)聲外周調(diào)控機制方面與牡丹鸚鵡類似，即RA對nXIIts的調(diào)控是雙側(cè)性的，nXIIts對鳴肌的調(diào)控也是雙側(cè)性的[4]，通過對斷NXIIts研究手術(shù)前后鳴聲的變化分析，NXIIts對鳴肌的調(diào)控是雙側(cè)性的.即單側(cè)NXIIts就能控制左右兩側(cè)的鳴肌.

實驗結(jié)果表明，斷單側(cè)NXIIts一周后，單次叫

(A)聲強圖；(B) 語圖；(C) 時間波形圖；(D)頻譜圖

圖4斷右側(cè)NXIIts后單次叫聲

Figure 4Single call after right resection of NXIIts

(A)聲強圖；(B) 語圖；(C) 時間波形圖；(D)頻譜圖

聲都能順利重演，且未對單次叫聲的時域和頻域特性產(chǎn)生顯著性影響，可猜測保留一側(cè)的NXIIts能單獨完成發(fā)聲中樞的信號傳遞.進一步切除保留一側(cè)的NXIIts(即實現(xiàn)斷雙側(cè)NXIIts)后，單次叫聲時域特性未發(fā)生顯著性改變，但頻域特性發(fā)生了顯著改變，表現(xiàn)為手術(shù)前后單次叫聲在振幅、主頻、基頻、平均頻率和熵值上具有顯著性差異，說明確實是保留一側(cè)的NXIIts在起作用.因此，虎皮鸚鵡單側(cè)NXIIts就能完成發(fā)聲中樞的信號傳遞，即NXIIts是雙側(cè)控制的.

除熵值外，斷左側(cè)NXIIts和斷右側(cè)NXIIts對于虎皮鸚鵡單次叫聲的影響是一致的，因此認(rèn)為虎皮鸚鵡左側(cè)和右側(cè)的NXIIts傳遞的發(fā)聲中樞信號是基本等同的，這表現(xiàn)為虎皮鸚鵡并不像許多鳴禽一樣具有側(cè)別優(yōu)勢.Heaton等[12]通過切除虎皮鸚鵡左側(cè)或右側(cè)神經(jīng)聯(lián)結(jié)處的ts神經(jīng)和切除左側(cè)或右側(cè)神經(jīng)聯(lián)結(jié)處以下的神經(jīng)也證明了虎皮鸚鵡在鳴管水平上的發(fā)聲控制并不具有偏側(cè)化.這是因為鳴禽具有左右兩側(cè)獨立的發(fā)聲器官，且其高級發(fā)聲中樞控制nXIIts和nXIIts控制鳴肌都是單側(cè)的[13]，所以當(dāng)其高級發(fā)聲中樞控制存在側(cè)別優(yōu)勢時，由nXIIts發(fā)出的NXIIts對發(fā)聲器官的支配也存在側(cè)別差異現(xiàn)象，例如吳敏等在紅嘴相思鳥中發(fā)現(xiàn)NXIIts支配具單側(cè)性，且呈左側(cè)優(yōu)勢[14].從發(fā)聲結(jié)構(gòu)上來說，虎皮鸚鵡只有1對鳴膜，不能各自獨立發(fā)聲，只能在發(fā)聲神經(jīng)中樞的控制下同步震蕩.從發(fā)聲調(diào)控上來說，虎皮鸚鵡的RA對nXIIts的調(diào)控和nXIIts對鳴肌的調(diào)控都表現(xiàn)出雙側(cè)性.這使得虎皮鸚鵡的高級發(fā)聲中樞即使跟鳴禽一樣存在側(cè)別優(yōu)勢，在信號傳遞到nXIIts和nXIIts傳遞到鳴肌時這種側(cè)別優(yōu)勢也會被消除.

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【中文責(zé)編：成文英文責(zé)編：李海航】

Control of Syringeal Nerve on the Vocalization in Budgerigar (Melopsittacus Undelafus)

Jiang Wenke, Li Dongfeng*

(School of Life Sciences, South China Normal University, Guangzhou 510631, China)

In this study, the unilateral and bilateral syrinx nerve (NXIIts) were resected in the budgerigar (Melopsittacusundelafus) to assess the roles of NXIIts in vocalization. Wavesurfer and Sound Analysis Pro were used to analyze presurgical and postsurgical acoustic changes. After resecting of unilateral NXIIts, budgerigar produced the single call as usual, but it has significant changes when resecting of bilateral NXIIts. These results indicated that NXIIts has an important role in the acoustic characteristics of sub-oseine passerine, and showed that the neural control of NXIIts was bilateral and no-side dominated. It means that unilateral syrinx nerve (NXIIts) is able to control the left and right sound muscle.

budgerigar； NXIIts； call

2014-06-18《華南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

國家自然科學(xué)基金項目(31472002)

李東風(fēng)，教授，Email:dfliswx@126.com.

Q62

A

1000-5463(2015)02-0090-06