在鸟的歌声、大脑和基因里，如何寻找语言的线索？

神经学家埃里希·贾维斯发现，鸣禽的发声技巧和人类的语言都源于控制运动学习的神经通路。

QUANTA MAGAZINE

当洛克菲勒大学的神经科学家埃里希·贾维斯（Erich Jarvis）在2015年荣获美国细胞生物学学会颁发的Ernest Everett Just奖时，他发表了一篇讲述引领他走上生物学之路的文章《生存在大环境下的少数族裔科学家》。文中提到“我相信，有证据显示文化经验会影响科学研究和科学发现”，而一切从这个信念开始。

贾维斯在纽约的哈莱姆区长大。他最初是一名舞者，在表演艺术高中学习芭蕾舞，获得了多个奖学金以支持他继续深造。在亨特学院读本科时，在父母的鼓舞下，他决定转而学习生物学。他的母亲一直鼓励他从事对社会有益的工作，而他的父亲虽从事音乐工作，但一直对科学抱有浓厚的兴趣（贾维斯父亲多年饱受精神疾病和无家可归的折磨，在他攻读硕士期间，父亲被一个青少年帮派枪杀。）

在洛克菲勒大学获得博士学位后，贾维斯在杜克大学建立了自己的实验室，并于2016年返回洛克菲勒大学任教。在过去的二十年里，他致力于研究鸟类可以模仿新声音以及产生复杂多变发声（也叫做声音学习）的神经学和遗传学机制。他使用鸣禽来阐述语言能力如何进化，并为人类语言障碍提供新的思路。

他的探索包括：改进基因组组合，探寻不同生物群体间大脑结构的相似之处，并通过操控基因使鸟类和小鼠更好地发声。贾维斯完全改写了鸟类大脑的命名法则，从而使科学家们能更容易找出鸟类与脊椎动物大脑之间的关系。他领导了一系列的鸟类基因组测序工作（他现在是“基因组10K工程”的联合主席，在为脊椎动物进行测序工作），用来构建精确的进化史。这项工作促成了他的主要理论之一：鸣禽、人类及其他生物的声音学习是独立出现的，是由于大脑中的一条原始的运动学习通路被复制而产生的。

《量子杂志》最近采访了贾维斯，讨论了声音学习和语言的进化，父母及舞蹈背景对他学术事业的影响，以及科学界所需的多样性。

声音学习和语言之间的区别是什么？

声音学习是模仿和学习非天生声音的能力。语言则包括了一系列的特质，包括了声音学习这一语言中最独特和专业的组成部分。

你可以训练狗懂得“坐下”或者“跑”的意思。这是通过听觉习得的，将声音与听到的事物相结合。但是狗并无法直接发出“坐下”的声音，而这才是声音学习。

只有极少的物种能够进行声音学习。在鸟类里，只有鸣禽、鹦鹉和蜂鸟能进行声音学习。世界上有大约40种鸟类谱系，但除了上述三种外，其余的鸟类均不具备声音学习的能力。在哺乳动物中，除了人类，还有海豚、鲸鱼、蝙蝠、大象和海豹具备这种能力。

那声音学习是如何进化的呢？

我刚提到的所有物种都有不能模仿声音的相近物种。比如与人类相近的黑猩猩或者亚鸣禽类鸟类均不具有这种能力。所以能进行声音学习的物种更有可能是独立进化出这种能力的。但是当我们观察声音学习的大脑通路时发现，这些通路都是相似的。它们都嵌入在控制学习如何移动肌肉群的通路中。但若它们是独立进化的，又怎么会发生这种现象呢？我们假设这可能产生于胚胎发育过程中运动学习通路的复制。人类和鸟类的声音学习通路来自于已经存在的结构中，它们有相似的联通性和功能：只不过它并不用来控制手脚或眼睛的运动，而是控制着产生声音的肌肉。正因为这种相似性，所以即使是独立进化的，它仍从周围的运动区域中继承了相似的特质。

那这是否意味着，在声音学习乃至语言的发展过程中存在限制因素呢？

正是如此。翅膀的进化就是一个好的比喻。脊椎动物的翅膀至少经历了三次进化：蝙蝠、鸟类、和翼龙（一种远古会飞的爬行动物）。翅膀的每次进化都在身体的上肢完成。其中的一个限制是重心。换句话来说，因为上肢是飞行所需能力最少的地方，所以翅膀在此处进化。另一个限制是已经存在的手臂。

对于语言通路来说，它存在的基础是用来控制肢体运动而非声音的运动学习通路。事实上我们最近发现，鹦鹉具有两个声音系统，就像人类有两个声音学习通路一样：鹦鹉的两条通路是一条包含着另一条，而人类的通路是紧紧相连的。这样看起来鹦鹉大脑中复制的通路又再次被复制了。

为什么其他动物身上没有发现这一现象呢？

有很多假说可以解释这一现象。我认为动物的天敌是声音学习进化选择的克星。我们提出性别选择有利于声音学习的进化：声音的多样性会吸引异性的注意，而性别选择是至关重要的。但为什么声音学习没有更普遍呢？我们认为天敌是其中的阻碍因素：脊椎动物的听觉通路会调整声音。也就是说，具备声音学习能力的物种可以不断变化它们的声音，而这种变化更容易吸引捕食者的注意并被其捕食。

但这种复制现象甚至没有在相近物种中产生，这不令你感到惊讶吗？

是啊，这种现象为什么没有更普遍呢？或者我们换个角度想吧：我们能不能找到一个这种通路的雏形呢？事实上，我们已经在某些物种中找到了。我们正在关注一种亚鸣禽的物种，声音学习的部分脑区已经在其脑中产生了。另外，我们在小鼠脑中找到了仅在人类（而非其他哺乳动物）脑中产生的原始通路。

由此我们提出了“声音学习的连续进化假说”。首先你的脑干控制着天生的声音系统。然后，你的前脑中产生一条复制的声音通路，这条通路是从运动学习通路中复制出来的。但它像小鼠脑中的通路一样只是一个雏形。之后，这条复制的通路与运动学习通路分离，并形成了鸣禽脑中类似语言的通路。最终，这条通路再次复制成一条或者多条相邻或相绕的声音学习通路，就像鹦鹉和人类脑中的一样。这可能是我们通过声音产生语言表达能力的解释。

在小鼠身上找到声音学习通路的雏形有什么意义吗？这是否意味着，小鼠正在进化出声音学习的能力？

是的，它们有可能正在向着更高级的方向进化，并逐步进化出声音学习的能力。当然这是在不存在天敌的情况下。但这一能力并不是它们所需要的。我们正在尝试通过基因操纵将它们引向那个方向。雄性小鼠在求偶时使用的是一串特殊的超声序列，这种声音本身是很复杂的。但他们不能像人类一样改变声音。

人类之于灵长类以及鸣禽之于其他不具备声音学习能力的鸟类而言，在特有的语言区域存在基因差异。而我们并没有在小鼠脑中发现这种基因。我们正在试图将人脑中这类特殊的基因植入小鼠脑中的原始通路，去观察这种做法能否促使小鼠的通路进化成与人类一样的。我们希望能够训练它们改变声音、声调以及他们求食时发出的特定声音。理想的状况是我们训练出可以发出某种特定声音的老鼠，另一群小鼠发出另一种声音，再用基因操控去看它们能不能互相模仿对方。

是什么控制着物种模仿声音的动机呢？

我们提出了一个假设，但还需要更多证据来证明。小孩通常不会从教他们说话的人身上学说话，他们更容易通过倾听并复述其他人说话并获得奖赏这个过程中进行学习。这其中包含了社会互动问题。当你说“爸爸”或者完成了一个完整的句子，你的父母会将你抱起并给你一个拥抱作为鼓励。

我们认为正面反馈是声音学习机制的一部分。

听自己同类声音的录音的鸟长大后并不能模仿听到的声音。他们发出的声音是异常的。但如果与他们相处的是活的鸟类，即使他们来自不同种族，他们也会对其他鸟类的声音进行模仿。鸟类更倾向于模仿其他种族的活鸟，而非模仿自己种族的录音。社会互动及从其他生物获得反馈的过程对声音的模仿有决定性作用。

这就是为什么人类没办法模仿全部鸣禽的声音。我的一个博士学生Constantina Theofanopoulou和我共同发表了一篇论文，提出催产素（一种亲密荷尔蒙）可能控制着声音学习的社交机制。当孩子说出“爸爸”时会得到拍拍背或者一个微笑作为反馈，这种反馈给了孩子被奖励的感觉。这种感觉在声音学习通路中释放催产素，从而强化声音学习通路中如何发声的记忆。

你对鸟类的研究对人类的口语有何意义呢？

我们一直在研究一种叫做FOXP2的基因。这种基因在人类的突变会造成语言障碍。携带FOXP2基因突变的人有着良好的听觉能力，他们能够相对较好地在认知和听觉层面上理解语言。但他们很难发出声音。将这个基因从鸣禽的脑中取出后，它们也出现了无法模仿声音的症状。所以我们最初认为该基因对声音学习有决定作用。

但是我们最近发现，提取人类变异基因植入小鼠的基因组，它们仍然能发出声音，只是无法发出雌性小鼠喜欢的更复杂、先天的声音序列。这个现象启发我们，这个基因可能已经存在于老鼠体内了，并被用于进行声音排序，它的存在可能比高级的声音学习进化更早。人类和鸣禽比小鼠更依赖这个基因。它也说明了，我们可以使用小鼠、鸣禽，结合连续理论，作为研究语言障碍的模型。

但在此之前，我们要先去研究鸣禽和人类脑区的对比，以及其中同源与聚合的细胞类型都是什么。

你最初并没有投身科学，而是学习舞蹈。它对你的科学追求有何影响？

我在高中时是一名舞者。我大部分的家庭成员，尤其是我母亲这边，都是从事表演艺术的。我在纽约的表演艺术高中就读，主修芭蕾舞。我也学过一些爵士和非洲舞蹈。在我高中毕业之后，我听从了我妈从小到大教导我的道理：做对社会有正面作用的事。我认为从事科研工作比做舞者能更好地影响社会，而且我也的确非常喜欢科学。我学习成为一名舞者的过程也教会了我如何成为一名科研工作者。

作为一名科研工作者，你需要非常自律，而我已经从大量的舞蹈练习中学到了。你还需要有创新精神，就如同要设计舞蹈动作。你需要在成功之前成熟很多次失败。很多实验不只失败一两次，练舞也是这样。另外，科研和舞蹈一样，都不是朝九晚五的工作，他们都是需要抱以巨大的热情去做的工作。

你现在还跳舞吗？

还在跳。我想总有一天我会停止跳舞，但直到现在还没有停下来[笑]。我上大学后跳了好多年的非洲舞，直到我去杜克大学当教授也还没有停止。然后，大概六年前，我改跳萨萨舞，在来纽约前还会和科博兄弟舞蹈团一起表演。

你提到了你的母亲对你成为科学家的影响。那你父亲呢？

我的父母都在高中学习音乐和艺术，并成为了歌手。但是我的父亲对科学有很大热情，在大学的时候他的专业是化学。后来他因为有了我们四个孩子而辍学，与社会也有些脱节了。我的父母最终离婚了。虽然在6岁之后我就没在和父亲一起生活，我还是常常见到他。他影响着我的思考：他试图成为一名科学家是为了什么？他试着去解释宇宙奥秘和文明起源。某种程度上，我认为我继承了他未竟的事业。是他的热情影响了我。

作为一名非洲裔美国人，他获得的机会比我少得多。比如他会觉得自己被一些老师区别对待了。他学习非常用功，在小学和初中跳了两级。他过世前给我讲过，他从布朗克斯的一座少数族裔学校出来，被安排在一所都是白人的学校里，他认为学校的老师都厌恶他并且有意在考试上刁难他。这样的经历也影响着我，影响我思考作为有色人种意味着什么。我也有孤立的感觉：即使在本科的时候，我参加的国际学术会议也基本都是白人。我去杜克大学之后，即使在南方有更多非裔美国人口，在校园里仍旧不是这样的情景。我开始留意人们的想法。他们没有意识到自己说出了种族歧视的话，比如当我去面试研究生的时候，有人告诉我：不要去纽黑文的那片区域，那里是黑人和波多黎各人的居住区，那里挺危险的。我会想，我刚刚听到了什么？或者我会成为史上第一个获得某奖项的非裔美国人，有人也许会暗示说，我是因为肤色才得了这个奖。

就像我母亲说的：“你不能只做到和他们一样好，你需要做到更好。”对于一个有少数族裔背景的人来说，这句话司空见惯了。

在你执教的过程中，你致力于发展针对少数族裔学生的项目，找他们来洛克菲勒从事研究。你的经历对此有何影响？

有很多既有才华又努力的人，但他们并没有得到平等的机会，他们的才能和努力都无处发挥。亨特学院给了我一个机会。我们一起在洛克菲勒执行一个项目，把本科学生带入到高强度的科研机构、诺贝尔得主实验室中，给这些学生一个机会。

我们应该开始“修补漏水的水管”了，支持少数族裔作为博士后和教职人员把他们留在科学领域里。霍华德·休斯医学研究所的一个新项目，提供了八年的奖学金。这个项目叫做汉娜·H·格雷研究计划，它是以一名前董事的名字命名的。我们应该修正社会的思维方式。我们在研讨会和课堂上讨论着无意识偏见，并为受到偏见影响的人创造机会，使他们相信自己的价值。我相信榜样的力量。

不同背景的人对科学是有价值的。当背景多样时，你需要去注意文化差异的同时，文化差异本身也会产生新点子（好点子）。毋庸置疑，多样性使得科学进程更加广阔和更有效率。

翻译：史天

校对/编辑：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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