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声音交流的神经生物学

杜克大学医学中心的研究人员正在研究鸣禽基因组，以寻找人类声乐学习的线索。yobet亚洲

声音交流的神经生物学

声音交流的神经生物学

介绍

声音学习，即yobet亚洲听到声音并重复它的能力，是一种复杂的行为，很少有动物进化到这种程度。研究鸣禽和其他能够模仿声音的动物，有助于深入了解口语能力背后的分子机制，这是人类区别于其他动物的关键特征之一。

埃里希·贾维斯博士是杜克大学医学中心的神经生物学教授和霍华德·休斯医学研究所的研究员，他领导了一个研究鸣禽的研究小组，以了解声乐学习的神经生物学。yobet亚洲他们用鸣禽作为人类大脑如何产生、感知和学习口语的模型。yobet亚洲

iccommunity采访了Jarvis博士，介绍了他的研究，以及Illumina测序系统如何将知识推进到声乐学习的遗传基础和大脑功能的机制中。yobet亚洲

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埃里克·贾维斯博士是杜克大学医学中心的神经生物学教授。

问:为什么鸣禽是研究声乐学习的好模型?yobet亚洲

埃里克·贾维斯(EJ):鸣禽、鹦鹉、蜂鸟和少数其他动物有模仿声音的能力。这些动物包括一些哺乳动物，如海豚、鲸鱼、海狮、蝙蝠、大象，当然还有人类。

相比之下，猴子和类人猿不能用喉咙模仿声音。很多人觉得这很奇怪，因为它们是灵长类动物中与我们最近的亲戚。猴子和类人猿只能发出先天的声音，这些声音是它们在不同的环境中学习如何发出的。yobet亚洲然而，实际的隐式结构和语法是天生的。

因此，尽管人类和会唱歌的鸟类是远亲，但我们有相似的大脑组yobet亚洲织来进行声音交流。其中包括发声学习所必需的前运动通路和产生习得发声所必需的运动通路。yobet亚洲

问:什么是鸟类10,000基因组(B10K)项目?

EJ:我是B10K计划的一员，该计划于2015年由华大基因和其他合作者正式启动，目的是在未来五年内从所有现存鸟类中提取基因组序列。1目前，我们正在使用Illumina技术进行测序。B10K项目建立在鸟类系统基因组学项目的成功基础上，该项目首次证明了对脊椎动物纲中所有代表性物种进行大规模测序的概念，并为利用此类基因组进行发现提供了一个窗口。鸟类系统基因组学项目是由华大基因的张国杰、哥本哈根大学的Tom Gilbert和我共同领导的。

“根据最近的统计，我们已经对200多个鸟类的基因组进行了测序，每个家族代表一个物种。”

B10K项目将允许完成整个活禽类的基因组水平的“生命树”，使我们能够确定遗传和表型变异之间的联系。2在此过程中，我们希望揭示大范围物种的遗传进化、生物地理和生物多样性模式的相关性，评估各种生态因素和人类对物种进化的影响，揭示整个生物类别的人口历史。

我的研究重点是声乐学习的遗传学。yobet亚洲我的调查要求我们比较基因，发声行为，以及与大多数没有发声学习的物种相关的大脑通路。yobet亚洲

问:作为B10K项目的一部分，已经对多少种鸟类基因组进行了测序?使用了哪些测序技术?

EJ:据最新统计，我们已经对200多个鸟类的基因组进行了测序，每个家族代表一个物种，其中大部分是在华大基因完成的。其中48个基因组已经发表。2,7出于几个原因，我们正试图在这个项目的更深层次的分类水平上进行排序。首先，它在每个连续的分类水平上给我们提供了系统发育的广度。其次，我们可以利用每个层次的基因组来了解鸟类的系统发育，这是一个几十年来一直存在争议的问题。

以前，鸡和斑胸草雀是用桑格测序法进行测序的。其他鸟类基因组使用下一代测序(NGS)技术测序。大多数使用Illumina测序系统进行测序，而少数使用Roche 454或PacBio测序系统进行测序。

我们选择HiSeq系统的主要原因是成本、覆盖范围、速度和灵活性。”

问:你为什么选择NGS和HiSeq系统来学习?

EJ:重复的区域很难用散弹枪排序来组装。我们开始使用NGS来生成跳跃文库，通过重复区域提供更好的组装质量，而TruSeq DNA Library Prep (version 3 chemistry)可以通过富含gc的区域提供更好的测序。对于我们在2014年底发表的鸟类基因组，其中大约一半是使用多个跳跃库进行的，另一半只有两个跳跃库。2,7

我们选择HiSeq系统的主要原因是成本、覆盖范围、速度和灵活性。我们需要一定的覆盖率来准确地调用碱基对，以产生碱基对的准确性，并通过难以测序的区域获得reads。我们还需要在一定的价格点测序，以经济有效地产生20-30´覆盖范围需要达到100个´有时用于生成更高质量的程序集。HiSeq系统也很快，使我们能够在一个通道，一次运行中对多个物种进行测序。通过增加我们一次可以测序的物种数量，这加快了我们研究的步伐。最后，它很灵活，可以使用基于illumina的数据池、库和算法，并以不同的方式对其执行许多操作。

问:在B10K项目之外，你们还参与了其他的测序计划吗?

EJ:我和G10K项目的负责人一起工作，这个项目的重点是对10000种脊椎动物的基因组进行测序。3.这些领导人包括博士。圣彼得堡州立大学的Steven O 'Brien，加州大学圣克鲁兹分校的David Haussler，圣地亚哥动物园的Oliver Ryder，史密森学会的Klaus-Peter Koepfli，加州大学圣克鲁兹分校的Beth Shapiro，还有我自己。根据你相信的数字，世界上有6万到6万6千种脊椎动物。我们希望对每个脊椎动物物种进行一个属的测序，这样加起来大约有9500个物种。

我将使用鸟类和其他脊椎动物的基因组来回答有关声音学习的进化和机制的问题。yobet亚洲我特别感兴趣的是研究不同声音学习者的基因组，以理解为什么即使在每个谱系中，不同的鸣禽，例如鹦鹉，比其他鸣禽拥有更高级的能力。yobet亚洲这需要确定哪些基因负责建立这些大脑回路，以及它们如何使一个物种能够模仿和学习新歌，而其他物种却不能。yobet亚洲然后我想在不能模仿声音的物种中操纵这些基因，比如老鼠，看看会发生什么。我们能否诱导这些回路形成并让老鼠模仿声音呢?我们能否修改基因，重新开启动物发育的关键时期，使其能够像婴儿时期那样进行模仿?

问:你发现了与声乐学习有关的基因吗?yobet亚洲

EJ:利用前b10k项目阶段(即鸟类的有序分类水平)的基因组序列，我们已经确定了大约50个候选基因。这些基因在人类和会说话的学习型鸟类的大脑中的调节与非人类灵长类动物的大脑和不会说话的鸟类的大脑中的调节不同。yobet亚洲5,6我们认为这些差异是由人类和声乐学习鸟类的这些基因的调控基因组区域的变化引起的，我们可以在它们的基因组中看到。yobet亚洲4我们正致力于将这些基因差异操纵到老鼠和不会说话的鸟类的大脑中。yobet亚洲其中一些基因确实控制着连通性，未发表的研究结果表明，它们可能控制着一些发声行为。然而，我们还没有发现一个主要的调节基因，它改变了负责创造这些大脑回路的整个基因网络。

“我们现在正在使用Illumina测序系统重复这些RNA-Seq阵列实验，以识别缺失的基因。”

问:你们是否也在进行后续的RNA或mRNA研究?

EJ:2014年，我们发表了使用微阵列的RNA表达分析，发现人类和声乐学习鸟类的趋同基因表达变化。yobet亚洲6收敛性基因表达差异出现在人类语言脑区和鸣禽鸣唱脑区。我们现在用Illumina测序系统用RNA-Seq重复这些阵列实验，以识别缺失的基因。在微阵列RNA表达研究中鉴定的基因将作为阳性对照。RNA-Seq的优势在于它可以检测大脑区域及其细胞中表达的所有基因。使用微阵列的RNA表达分析只能检测到放置在阵列上的有限基因集。正因为如此，我们非常有信心，我们错过了潜在的重要基因，比如在语言区域的大型基因网络中导致差异的主调节器。

除此之外，我们还试图找出为什么这些大脑区域在鸟类和人类之间有几十个基因的趋同变化——每个大脑区域多达50-70个基因。我们用ChIP-Seq来观察鸟类的运动区域和人类大脑的语言区域是否有增强的差异。yobet亚洲如果我们没有ChIP-Seq方法，那将需要几十年，甚至几百年的时间，来识别增强子区域的差异，每个大脑区域一次一个基因。

问:你对鸣禽的研究对理解人类语言有启示吗?

EJ:很长一段时间以来，我认为我们会在鸟类身上发现所有这些，然后其他科学家会把这些发现应用到人类身上。我很快发现，尽管人们对我们的工作感到兴奋，但他们并没有把我们的发现应用到人类身上。几年前，我决定自己进行这些研究。这包括比较鸟类和人类的基因组和大脑区域，以及声音学习基因如何表达的研究。yobet亚洲我们得到了其他机构的同事的帮助，他们参与分析人类和非人类灵长类动物的大脑，比如艾伦脑科学研究所和RIKEN脑科学研究所。6

这项研究可能会有临床应用。在我们弄清楚如何诱导或修改鼠标的通信电路之后，我们想看看我们是否能弄清楚如何在它们受损时修复它们。最终，这将使我们能够修复中风或其他类型创伤后的语言脑回路，或开发出旨在调节自闭症儿童脑回路中特定基因的药物。

如果我们没有ChIP-Seq方法，那将需要几十年，甚至几百年的时间，来识别增强子区域的差异，每个大脑区域一次一个基因。

问:你下一步的研究是什么?

EJ:我想做一个项目，从B10K群体中提取基因组，重新定义物种概念。8在过去，主要是通过形态学来确定物种的识别和区分。例如，鸟类翅膀的颜色或形状，或者哺乳动物爪子的大小，都可以用来确定哪些物种是彼此相关的，以及谁是谁的后代。在研究B10K的基因组时，我们发现这些基于形态的物种系统发育的许多部分是错误的，因为许多形态特征是趋同的。如果我们看一下潜在的基因组，我们会发现人与人之间的关系是不同的。你还会发现，有时候我们认为的一个物种，实际上是两个不同的物种，而我们认为的两个物种，实际上是一个。

我还和我的同事贝丝·夏皮罗和埃德·格林一起在加州大学圣迭戈分校工作，他们对重建一组物种的共同祖先很感兴趣。如果你有一个特定类别的所有物种的基因组序列，并且有足够的多样性，你就有了理论上可以重建基因组中每个碱基的共同祖先的算法。然后我们可以合成这些染色体，把它们放入细胞中，使一个胚胎受精——比方说一只鸡或一些哺乳动物——产生这个共同的祖先基因组。

yobet亚洲亚博官网人口了解更多关于本文中提到的Illumina产品和系统:

HiSeq系统,www.169o.com/systems/hiseq_2500_1500.html

参考文献
  1. 张刚，Rahbek C, Graves G，等。基因组学:鸟类测序项目启动。自然2015年;522年,34。
  2. 贾维斯ED, Mirarab S, Aberer AJ，等。全基因组分析解决了现代鸟类生命之树的早期分支。科学。2014, 346(6215): 1320 - 1331。
  3. 基因组10k科学家社区。基因组10K计划-前进的道路。安。Rev.动物生物科学。2015; 3:57 - 111。
  4. Whitney O, Pfenning AR, Howard JT，等。行为调控基因和歌唱基因组的核心和区域富集基因表达网络。科学。2014, 346(6215): 1256780。
  5. 王锐，陈春春，郝娥，等。发音学习者大脑中SLIT-ROBO轴突引导基因的趋同差异调控yobet亚洲。J. Comp.神经科。2015; 523:892 - 906。
  6. Pfenning AR, Hara E, Whitney O, Rivas MR，等。人类和鸣禽大脑中的趋同转录专门化yobet亚洲。科学。2014, 346(6215): 1256846。
  7. 张刚，李超，李强，等。比较基因组学揭示了鸟类基因组进化和适应的见解。科学。2014;346(6215): 1311 - 1320。
  8. 贾维斯。鸟类系统基因组学计划的观点:可以用脊椎动物类的所有基因组测序来回答的问题。安。Rev.动物生物科学。2016; 4:45-59。