仙琴蛙物种识别和个体识别的动态过程与神经机制

Species and individual recognition are one of the most important cognitive abilities and essential for decision-making in courtship and mate choice, thereby enabling survival and reproductive success. Although many studies have explored the results of recognition and the nature of the cues used by animals for species and individual recognition, we still know little about the properties of dynamic processes and the underlying neural mechanisms, so we still cannot understand the essence of these recognition completely. Different from other vertebrates relying on multimode signals, species and individual recognition in frogs rely almost entirely on vocal communications. As it is easy to manipulate and analyze the acoustical signals, the Emei music frog (Babina daunchina) is used as an animal model in the present project. The dynamic processes and the underlying neural mechanisms of species and individual recognition will be explored entirely by event-related potential (ERP) and complex brain networks with behavioral experiments in frogs. Based on previous studies, we propose the following hypotheses: 1) Species and individual recognition are dynamic processes in which animals perceive, analyze, discriminate and classify related information, associating with dynamic brain activities (gene expression and neural information); 2) There are similar but different brain networks and neural mechanisms involved in species and individual recognition. This project may help us to understand the essences and the underlying neural mechanisms of species and individual recognition, and has vital scientific importance for exploring brain functions, sexual selection and the evolution of species.

物种识别和个体识别是动物最重要的认知能力之一，是求偶/择偶决策的基础，更是繁殖与生存的保证。前人针对物种/个体识别的识别结果和识别线索进行了大量研究，但识别的动态过程及神经机制均不清楚，因此尚不能完整揭示物种/个体识别的本质。不同于其它脊椎动物基于多模信号，绝大多数蛙类的物种/个体识别几乎完全依赖声音通讯；声音信号也便于分析和操纵。因此，本项目以仙琴蛙为模型，结合行为实验、事件相关电位和复杂脑网络等技术，以“动态和网络”的思路研究物种/个体识别的动态过程及神经机制。基于既往研究，我们提出如下假设：①物种/个体识别是对信息感知、分析、辨别和分类的动态过程，该过程伴随着大脑活动（基因表达和神经信息等）的动态变化；②物种识别和个体识别既有共享的、又有特异性的参与网络和神经机制。本项目的实施将阐明物种/个体识别的动态特征及潜在的神经机制，对探讨大脑功能、性选择和物种进化具有重要的科学意义。

物种识别和个体识别是动物最重要的认知能力之一，是求偶/择偶决策的基础，更是繁殖与生存的保证。基于既往研究，我们提出如下假设：①物种/个体识别是对信息感知、分析、辨别和分类的动态过程，该过程伴随着大脑活动（基因表达和神经信息等）的动态变化；②物种识别和个体识别既有共享的、又有特异性的参与网络和神经机制。为验证实验假设，我们进行了如下实验：利用行为实验，探讨物种/个体识别在行为层面的动态变化，以及刺激信号的声学特性与动物行为之间的联系；利用事件相关电位(event-related potentials, ERP)实验，研究大脑处理声音信号的加工模式；利用局部场电位和脑网络方法研究物种/个体识别过程中脑电的动态变化及各脑区间的功能联系。通过本项目的研究，我们发现：（1）仙琴蛙（Nidirana daunchina）鸣声的第一个音节在声音通讯（物种识别和个体识别）中起着至关重要的作用；（2）频域信息在声音通讯（物种识别和个体识别）中起着重要作用；（3）物种识别和个体识别分别发生在100ms和200ms内；（4）不同物种的系统发育关系、鸣声变异及其诱发ERP成分存在匹配关系；（5）仙琴蛙存在静息态脑网络，该网络与其听觉感知功能相关联，并且具有性二型和不随活跃状态改变的稳定性；（6）仙琴蛙存在非对称性的听觉功能网络，即中脑与端脑间的上行连接左侧强于右侧，而下行连接相反；这一结果与仙琴蛙的右耳优势匹配，说明从右侧端脑下行的抑制性连接可能是导致右耳优势的部分原因；（7）仙琴蛙注意脑网络受声音信号的生物学意义强度调制，具有更高性吸引力的洞内鸣叫诱发出更强的大脑连接；（8）雌雄鸣叫的性别差异可通过事件相关电位表征；（9）仙琴蛙声音信号感知存在性别差异和季节可塑性；（10）脑电近似熵的变化反映着大脑的听觉处理和功能复杂度。上述结果表明，物种识别和个体识别是极为复杂的、伴随着大脑活动的动态过程，两者既有共享的、又有特异性的参与网络和神经机制。这些结果对理解动物的天敌识别和逃避、配偶识别和选择、物种/个体识别的过程和神经机制，以及探讨大脑功能、性选择和物种进化的机制均具有重要意义。本项目已发表SCI论文15篇，中文核心6篇，尚有3篇SCI文章在审稿，5篇SCI文章在撰写之中。