鸣禽与非鸣禽致聋、损伤听觉和发声控制核团后中枢神经结构及其功能变化的比较研究

Songbirds and humans share great similarities in vocal learning. Using songbirds as a model system to study language learning and production can expand our understandings of neurobiological mechanisms during vocal learning processes. Auditory feedback is very essential for the maintenance of central nervous system and vocal production. Our project will investigate the differences in the song production and neurobiological structures in control and deafened songbirds and non-songbirds to further explore the basic underlying mechanisms regarding vocal learning. Auditory feedback will be removed by deafening in juvenile and adult non-songbird pigeon, age-limited songbird bengalese finch and zebra finch, open-ended songbird Mongolia lark and starling, and following tasks will be performed: compare synaptic structures in auditory and song control nuclei; compare the spontaneous discharge rate and other electrophysiological activities; detection of FoxP2, ERBIN, ERBB2 gene expression and their impact on song phrases and neural structures after gene silencing; detection of calcium-binding protein expression; explore the differences in newborn neurons in vocal center. Our studies will expand our understandings of the neurological difference between normal and hearing loss caused by disorders.This research will provide important basic information for the understanding of vocal learning and memory.

鸣禽的鸣唱行为与人类语言学习相似而被广泛用于语言产生、记忆研究，其外周听觉传入对中枢神经系统的维持起重要作用，并依赖于听反馈。本项目拟对正常、致聋、损毁鸣禽（开放型及临界性）与非鸣禽比较，分别检测它们在鸣声语句及神经结构等方面的变化差异，深入阐明鸣禽的发声学习、记忆机制。拟开展以下工作：选用幼年和成年正常、致聋、损毁非鸣禽家鸽、临界型鸣禽白腰文鸟、斑胸草雀与开放型鸣禽蒙古百灵鸟、八哥，比较听觉中枢及鸣禽特有发声核团的突触结构、自发放电率等电生理活动变化；检测FoxP2、ERBIN、ERBB2基因表达差异，并在基因沉默后对鸣唱语句及神经结构的影响；钙结合蛋白的表达变化；发声中枢中新生神经元发生的差异，了解听力丧失所导致鸣声障碍的差异和对鸣声产生不同影响的神经过程，鸣唱学习作用机制及基因在其中起到的作用，为了解语言学习与记忆的机制提供一定的基础资料，本研究对揭示发声学习、记忆机制具有重要意义。

致聋、隔离或损毁发声核团对鸣禽发声中枢的发育、组织结构、超微结构、免疫组织化学特性、电生理特性及鸣唱行为的影响。1）听觉剥夺后，定量分析对比鸣曲多个音节参数都发生显著性变化；相关核团LAMN、X也发生退化；对RA和X区BDA逆行示踪区发现：RA投射至HVC的神经元数量显著增加，神经元形态也发生较大改变,复合突触增多，穿孔突触减少,分支级数显著增多，PSD发生病理性膨大，突触小泡的密度显著性降低；而X区多棘神经元长度显著增长；另外，耳蜗核巨细胞亚核（NM）的神经元体积、大小、数量、密度显著下降；2）成年白腰文鸟LMAN或HVC核双侧损毁后出现鸣曲主体音节出现了大量缺失。同时损毁两个核团或HVC下游核团NIf、Uva后，将导致鸣曲发生严重而持久退化。3）幼年隔离、致聋引起 HVC 核内三种神经元放电频率降低,分布趋向于低频；RA神经元自发放电率下降,放电间隔增大,放电规律性下降。NIf 双侧电损毁后，HVCRA投射神经元放电率显著上升，HVCX投射神经元放电率显著降低。而在Uva损毁实验，HVC中间神经元的放电率显著上升，而HVCRA、HVCX投射神经元没有明显变化。4）致聋鸟听觉、发声核团的钙结合蛋白变化，三类CaBPs的表达对听觉剥夺敏感，单侧耳蜗摘除后3 天，CR 表达即显著下调；PV 表达显著下调；CB 表达的下调相对出现较晚。5）在体注射Notch1的干扰慢病毒RNAi，干扰Notch1后雄鸟鸣曲结构变的更复杂，过表达后结构发生明显的退化；干扰导致HVC、RA核团体积明显增加，过表达后体积减小。确定Erbin 和 ErbB2 基因参与了鸣禽性双态的形成。6）建立小鼠体外模型，高效转染支持细胞，转染干扰病毒ADV-Notch1 RNAi成功抑制了Notch通路促进支持细胞直接转分化形成毛细胞。7）建立雏鸡与小鼠耳蜗体外及损伤模型，利用小鼠模型测试了Notch、Wnt、BMP、FGF和Hh五个通路单通路调控及双通路联合调控对毛细胞再生影响,联合调控对毛细胞的再生效果显著优于单通路调控；这些研究为揭示脑发育调控的神经机制，为鸟类鸣啭学习与其发声控制机制和人类语言聋哑机理提供重要的基础资料。