切斷鳴管神經(jīng)支對(duì)紅嘴相思鳥鳴聲的影響

吳 敏，呂 源，鄭志強(qiáng)，林桂霞，王怡淳，王松華，李東風(fēng)

華南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，廣東省高等學(xué)校生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510631

發(fā)聲是鳥類重要的信息交流手段。鳴禽具有最強(qiáng)的發(fā)聲交流能力，鳴曲類型豐富多樣，鳴聲也最為婉轉(zhuǎn)動(dòng)聽，并因其鳴唱學(xué)習(xí)與人類的語言學(xué)習(xí)十分相似而成為研究動(dòng)物發(fā)聲通訊的重要模型（Li, 2001）。

人的語言中樞具有左側(cè)優(yōu)勢(shì)。在大多數(shù)鳴禽的發(fā)聲中樞中，也存在左側(cè)優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象。Zhao et al（2003）發(fā)現(xiàn)鳴禽栗鹀（Emberiza rutila Pallas）高級(jí)發(fā)聲中樞和中腦對(duì)叫聲的調(diào)控存在明顯的左側(cè)優(yōu)勢(shì)。Okanoya et al (2001)發(fā)現(xiàn)雄性白腰文鳥（Lonchura striata domestica）左側(cè)高級(jí)發(fā)聲中樞（high vocal center, HVC）在發(fā)聲控制及鳴聲辨別中均起主導(dǎo)作用。然而，Williams et al (1992)及Zeng& Li (2013)對(duì)雄性斑胸草雀（Taeniopygia guttata）進(jìn)行單側(cè)損毀核團(tuán)及單側(cè)去神經(jīng)支配實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雄性斑胸草雀的HVC、弓狀皮質(zhì)櫟核（robust nucleus of the arcopallium, RA）及丘間復(fù)合體背內(nèi)側(cè)核（dorsomedial nucleus of the intercollicular, DM）在鳴聲控制上具右側(cè)優(yōu)勢(shì)。

由于高級(jí)中樞控制發(fā)聲的側(cè)別差異性，低級(jí)中樞（nXIIts）發(fā)出的外周神經(jīng)（NXIIts）對(duì)發(fā)聲器官的支配也存在側(cè)別差異。研究者們通過單側(cè)去鳴管神經(jīng)支配實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)鳴禽，如金絲雀（Serinus canarius）(Nottebohm et al, 1976)、爪哇禾雀(Padda oryzivora) (Seller，1979)、金翅雀(Carduelis sinica)(Li et al, 1999)和白腰文鳥（Lonchura striata domestica）(Secora et al, 2012)等，其NXIIts對(duì)發(fā)聲器官的支配功能均呈左側(cè)優(yōu)勢(shì)。

紅嘴相思鳥（Leiothrix luteal）屬雀形目畫眉科相思鳥屬，鳴聲婉轉(zhuǎn)動(dòng)聽，是馳名國內(nèi)外的觀賞鳥。目前對(duì)其鳴聲的研究僅有國內(nèi)一篇報(bào)道（Liao et al,2006），且僅涉及基本鳴聲類型。本實(shí)驗(yàn)利用聲譜分析法，對(duì)紅嘴相思鳥斷NXIIts前、后鳴聲進(jìn)行比較分析，首次對(duì)該物種進(jìn)行鳴管神經(jīng)支配功能研究，為鳴禽發(fā)聲調(diào)控機(jī)制提供聲學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

健康成年雄性紅嘴相思鳥12只，大于90 日齡，購于廣州花地灣花鳥蟲魚市場，飼養(yǎng)于籠內(nèi)，自然采光，14:10 h明/暗交替，喂食谷物，室溫25~30 ℃，相對(duì)濕度 60%~80%，單只籠養(yǎng)一周后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用符合國家和學(xué)校動(dòng)物倫理委員會(huì)規(guī)定并遵守國際慣例。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 NXIIts切斷術(shù)

在紅嘴相思鳥個(gè)體的胸大肌注射~0.05 mL 10%水合氯醛（chloral hydrate，Sigma, 47335-U）進(jìn)行輕度麻醉，固定于手術(shù)臺(tái)上；剪去頸羽，切開皮膚，用玻璃分針在氣管側(cè)面分離出鳴管神經(jīng)支（NXIIts），剪去~0.5 cm；縫合皮膚。

1.2.2 鳴聲錄制

使用DVR556 Recorder錄音筆記錄手術(shù)前、后的鳥鳴聲，麥克風(fēng)距離鳥籠~20 cm。進(jìn)行錄音的個(gè)體單獨(dú)置于籠內(nèi)。手術(shù)前、后每個(gè)個(gè)體均進(jìn)行3次聲音采樣。術(shù)前聲音采樣在個(gè)體籠養(yǎng)一周后進(jìn)行，術(shù)后第3 d開始連續(xù)采樣3 d，采樣頻率為8 000 Hz，單聲道，16位分辨率（默認(rèn)），保存為wav格式音頻文件。

1.2.3 鳴聲分析

鳴禽鳴聲主要有兩大聲學(xué)特征：時(shí)域特征和頻域特征。將采集到的聲音文件用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理和分析。用 Wavesurfer軟件制作原始波形圖（waveform）、語圖（sonogram）和功率頻譜（能量）圖(power spectrum)，讀出基頻(fundamental frequency, FF)、音節(jié)間隔（syllable interval，SI）、脈沖個(gè)數(shù)（pulse number, PN）、基本音（basic sound,BS）、諧波（harmonic wave，HW）等參數(shù)值，分析鳴聲的時(shí)域特征。用 SAP軟件進(jìn)行語圖分析，讀出音節(jié)時(shí)程（syllable duration, SD）、音調(diào)（pitch）、主峰頻率（peak frequency, PF）、調(diào)頻（frequency modulation FM）、振幅（amplitude, Amp）、熵（entropy）、音質(zhì)（goodness）等參數(shù)值，對(duì)斷神經(jīng)前、后鳴聲進(jìn)行對(duì)比分析。

將聲譜分析得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并繪制柱形圖。數(shù)值用mean±SEM表示，t-test計(jì)算差異顯著性, P<0.05為顯著性差異,P<0.01為極顯著差異。

2 結(jié) 果

2.1 紅嘴相思鳥正常鳴聲結(jié)構(gòu)

紅嘴相思鳥鳴聲響亮，擅長長鳴（long call），即連續(xù)發(fā)出多聲鳴叫。鳴聲以音節(jié)（syllable）為基本結(jié)構(gòu)。鳴聲類型分為單鳴聲、雙鳴聲和多鳴聲，分別包含單個(gè)、兩個(gè)和多個(gè)音節(jié)，并以脈沖（pulse）為基本單位（圖1）。正常狀態(tài)下，紅嘴相思鳥多以單鳴聲和多鳴聲進(jìn)行同伴間的聯(lián)系和交流。

圖1 紅嘴相思鳥常見鳴聲脈沖圖Figure 1 Vocalization waveform of Leiothrix luteal

2.2 斷單側(cè)NXIIts對(duì)紅嘴相思鳥鳴聲的影響

2.2.1 斷單側(cè)NXIIts對(duì)單鳴聲的影響

圖2顯示紅嘴相思鳥正常狀態(tài)和斷NXIIts后單鳴聲的時(shí)間波形圖（圖2A）、語圖（圖2B）和功率譜圖 （圖2C），圖3A-F則為相應(yīng)狀態(tài)下鳴聲參數(shù)的統(tǒng)計(jì)及對(duì)比分析。

圖2 斷單側(cè)NXIIts前、后紅嘴相思鳥單鳴聲比較Figure 2 Single call comparison of unilateral resected NXIItsA：正常與斷一側(cè)神經(jīng)的波形圖；B：正常與斷一側(cè)神經(jīng)的語圖；C：正常與斷一側(cè)神經(jīng)的功率譜圖；A，B，C圖中自上而下分別為正常、斷右側(cè)神經(jīng)及斷左側(cè)神經(jīng)組。A: Waveform of normal and one-side resected NXIIts; B: Sonogram of normal and one-side resected NXIIts; C: Power spectrum of normal and one-side resected NXIIts; In A, B, C, from top to down, each panel shows normal, right resected and left resected NXIIts, respectively.

圖3 斷單側(cè)NXIIts前、后單鳴聲各聲學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果比較（n=20）Figure3 Acoustic parameters of single call before and after unilateral resection of NXIItsA：音節(jié)間隔；B：音節(jié)時(shí)程；C：主峰頻率；D：頻率調(diào)制；E：熵；F：音質(zhì)。A: SI; B: SD; C: PF; D: FM; E: Entropy; F: Goodness.*: P＜0.05; **: P＜0.01;***: P＜0.001.

紅嘴相思鳥斷單側(cè)NXIIts后鳴聲音節(jié)間隔（SI）明顯變長（圖2），與術(shù)前差異顯著（3B, C），斷左側(cè)和右側(cè)NXIIts分別使鳴聲SD縮短~10%和24%（圖3）。即，斷左側(cè)NXIIts對(duì)SI和SD的影響更加顯著，NXIIts對(duì)鳴聲的時(shí)域控制具左側(cè)優(yōu)勢(shì)。

正常情況下，紅嘴相思鳥鳴聲單調(diào)，以基本音（BS）為主，頻率范圍為2.50~3.80 kHz，主峰頻率（PF）為（1.82±0.06） kHz。切斷任何一側(cè)NXIIts后，鳴聲響度及能量均呈下降趨勢(shì)。斷右側(cè) NXIIts后，BS頻率范圍下移，集中在 1.80~2.50 kHz，PF為（1.62±0.03） kHz，較術(shù)前降低~200 Hz，調(diào)頻指數(shù)（FM）變化不顯著。斷左側(cè)NXIIts后，BS頻率為1.80~3.00 kHz，出現(xiàn)小幅度失穩(wěn)，PF大幅度下降（P<0.01），為（1.35±0.04） kHz，調(diào)頻指數(shù)（FM）明顯降低（P<0.05），熵（entropy）由術(shù)前的?1.40±0.14上升至?0.70±0.03（P<0.01）。斷右側(cè)和斷左側(cè)神經(jīng)均使音質(zhì)（goodness）得到提高（圖3）。

2.2.2 斷單側(cè)NXIIts對(duì)雙鳴聲的影響

紅嘴相思鳥雙鳴聲發(fā)出前常伴有一個(gè)單鳴聲，正常狀態(tài)下，兩者時(shí)間間隔較長，斷單側(cè)神經(jīng)后，間隔縮短，但兩實(shí)驗(yàn)組間無明顯差異（圖4A）。

斷右側(cè)NXIIts后，雙鳴聲頻帶出現(xiàn)明顯的上升支和下降支，呈單變調(diào)聲，且音節(jié)諧波（harmonic wave，HW）成分明顯，鳴聲音調(diào)（pitch）升高（圖4B）。斷左側(cè)NXIIts后，前導(dǎo)的單音節(jié)以及雙鳴聲中的音節(jié)脈沖數(shù)（PN）均增加，由術(shù)前的單脈沖結(jié)構(gòu)變?yōu)殡p脈沖或多脈沖結(jié)構(gòu)，且雙鳴聲極弱（圖4C）。

圖4 斷單側(cè)NXIIts前、后雙鳴聲比較Figure 4 Double call comparison of unilateral resected NXIItsA：正常與斷一側(cè)神經(jīng)的波形圖；B：正常與斷一側(cè)神經(jīng)的語圖；C：正常與斷一側(cè)神經(jīng)的功率譜圖；A，B，C圖中自上而下分別為正常，斷右側(cè)神經(jīng)及斷左側(cè)神經(jīng)組。A: Waveform of normal and one-side resected NXIIts; B: Sonogram of normal and one-side resected NXIIts; C: Power spectrum of normal and one-side resected NXIIts; In A, B, C, from top to down, each panel shows normal, right resected and left resected NXIIts, respectively.

2.2.3 斷單側(cè)NXIIts對(duì)多鳴聲的影響

紅嘴相思鳥多脈沖長鳴聲的響度大，可持續(xù)3 s以上，包含30個(gè)以上的音節(jié)及重復(fù)頻率。各脈沖持續(xù)時(shí)間大致相等，振幅基本相持，能量分布均勻，基頻（FF）之上有模糊的諧波（HW）結(jié)構(gòu)（圖5A, B）。

斷右側(cè)NXIIts后，長鳴聲依然響亮，音節(jié)數(shù)變化不顯著，單個(gè)音節(jié)在基頻之上可見明顯的諧波結(jié)構(gòu)（圖5B）。斷左側(cè)NXIIts后，長鳴聲出現(xiàn)頻率明顯降低，基本音（BS）頻帶變窄，聲強(qiáng)下降，音節(jié)數(shù)減少35%~50%。鳴叫能力明顯下降（圖5C）。

2.3 斷雙側(cè)NXIIts對(duì)鳴聲的影響

紅嘴相思鳥斷雙側(cè)NXIIts后，音節(jié)數(shù)減少（≤3個(gè)），音節(jié)間隔不等（圖 6）。每個(gè)音節(jié)均由 2~5個(gè)脈沖構(gòu)成，各脈沖相似，頻率范圍為(7.81~3992.20）Hz，音節(jié)振幅為（34.03±0.44） dB，主峰頻率（PF）為（2.85±0.01）kHz。頻率調(diào)制成分消失。

圖5 斷單側(cè)NXIIts前后多鳴聲比較Figure 5 Multiple calls comparison of unilateral resected NXIItsA：正常與斷一側(cè)神經(jīng)的波形圖；B：正常與斷一側(cè)神經(jīng)的語圖；C：正常與斷一側(cè)神經(jīng)的功率譜圖；A，B，C圖中自上而下分別為正常，斷右側(cè)神經(jīng)及斷左側(cè)神經(jīng)組。A: Waveform of normal and one-side resected NXIIts; B: Sonogram of normal and one-side resected NXIIts; C:Power spectrum of normal and one-side resected NXIIts; In A, B, C, from top to down, each panel shows normal, right resected and left resected NXIIts, respectively.

圖6 斷雙側(cè)NXIIts后鳴聲的變化Figure 6 Call of bilateral resected NXIIts

3 討 論

鳴禽通過鳴管左、右兩側(cè)鳴肌運(yùn)動(dòng)調(diào)控鳴膜振動(dòng)而發(fā)聲，而鳴肌受控于同側(cè)舌下神經(jīng)氣管鳴管支（NXIIts）。因此，切斷 NXIIts會(huì)影響鳴聲的產(chǎn)生及其音節(jié)特性（Seller et al, 1979; Liao & Li, 2012;Pan et al, 2004）。

正常情況下，紅嘴相思鳥鳴叫時(shí)氣流沖擊量較大，鳴聲響亮，為以基本音為主的單調(diào)叫聲，熵值較低，且音節(jié)主要由一致性較高的單脈沖構(gòu)成，振幅大，音調(diào)高。研究發(fā)現(xiàn)，任何一側(cè)NXIIts被切斷的紅嘴相思鳥均可發(fā)出常見鳴聲，驗(yàn)證了“雙聲源理論”，即兩側(cè)鳴管均可獨(dú)立發(fā)聲，NXIIts對(duì)鳴肌的支配具有單側(cè)性（Suthers, 1997）。斷單側(cè)NXIIts對(duì)紅嘴相思鳥鳴聲的時(shí)域特征和頻域特征均具一定影響，這與每側(cè)神經(jīng)所支配的鳴肌收縮呼吸動(dòng)力學(xué)特性有關(guān)（Geng et al,2005）。斷單側(cè)NXIIts對(duì)鳴聲時(shí)域特性的影響主要體現(xiàn)在音節(jié)間隔和音節(jié)時(shí)程上。斷任何一側(cè)NXIIts均可明顯延長鳴聲音節(jié)間隔，并縮短音節(jié)時(shí)程，且斷左側(cè)NXIIts的作用效果更為明顯，即NXIIts的鳴聲時(shí)域控制具左側(cè)優(yōu)勢(shì)。

在鳴聲頻率調(diào)制方面，斷單側(cè)NXIIts可引起單鳴聲多項(xiàng)頻率參數(shù)如音調(diào)、基本音、主峰頻率和諧頻等的變化，且斷左側(cè)NXIIts作用效果顯著高于斷右側(cè)。斷左側(cè)NXIIts后，基本音明顯失穩(wěn)，音調(diào)穩(wěn)定性下降，熵上升～50%，音節(jié)高頻成分丟失，主頻大幅度下降，調(diào)頻指數(shù)顯著降低。即左側(cè)NXIIts對(duì)單鳴聲頻率調(diào)制的影響更為顯著，且對(duì)單鳴聲高頻成分的控制具主導(dǎo)作用。

去單側(cè)神經(jīng)支配后，由于鳴聲中攜帶的氣流沖擊量減少，聲強(qiáng)降低，聲音頻帶更為清晰，故音質(zhì)參數(shù)增大。并且，由鳴聲語圖可見，斷右側(cè)神經(jīng)后諧波數(shù)量增加，即鳴聲中含有更多的諧音成分，鳴聲和諧程度增大，音質(zhì)得到更大程度的提高。據(jù)此推斷，紅嘴相思鳥左、右兩側(cè)NXIIts對(duì)鳴聲諧波調(diào)節(jié)具有拮抗作用，左側(cè)NXIIts調(diào)節(jié)諧波的產(chǎn)生，而右側(cè) NXIIts則抑制鳴聲諧波的產(chǎn)生。該結(jié)果與Secora et al（2009）的研究結(jié)果相似，即斷左側(cè)神經(jīng)后，白腰文鳥鳴聲為強(qiáng)音、高頻率及低熵，而斷右側(cè)神經(jīng)后，則為低幅、低頻及較高熵。本研究中紅嘴相思鳥鳴聲熵值變化與白腰文鳥相反，可能是種間差異所致。

斷右側(cè)NXIIts除增加諧波（HW）數(shù)量外，還產(chǎn)生了音調(diào)多變且快速調(diào)頻特性增加的新的多鳴聲。而斷左側(cè)NXIIts后，多鳴聲較少出現(xiàn)，音節(jié)個(gè)數(shù)少于斷右側(cè)，且音調(diào)唯一。據(jù)此推斷，紅嘴相思鳥的鳴聲頻率調(diào)制主要由左側(cè)NXIIts控制。斷右側(cè)NXIIts解除了右側(cè)NXIIts對(duì)和諧鳴聲的抑制，左側(cè)NXIIts發(fā)揮更大的調(diào)控作用，快速調(diào)頻進(jìn)一步加快，從而使鳴聲音調(diào)起伏增大。

斷左側(cè)NXIIts后，鳴聲時(shí)域控制和調(diào)頻能力明顯下降，基本音失穩(wěn)，音節(jié)高頻缺失，斷右側(cè)NXIIts后，左側(cè)NXIIts的調(diào)控作用增強(qiáng)，音節(jié)諧波數(shù)量增加，雙鳴聲及多鳴聲出現(xiàn)變調(diào)音節(jié)。因此，左側(cè)NXIIts在鳴聲時(shí)頻調(diào)控上起主導(dǎo)作用，這與Wild et al（2000）對(duì)于金絲雀的工作吻合，說明呼吸與發(fā)聲的協(xié)調(diào)整合，由RA下行投射到延髓舌下神經(jīng)氣管鳴管亞核（nXIIts, 司發(fā)聲）和后疑核（nRAm, 司呼吸），再通過NXIIts支配鳴肌。

斷雙側(cè)NXIIt后鳴聲音調(diào)唯一，每個(gè)音節(jié)均由兩個(gè)以上脈沖組成。紅嘴相思鳥正常鳴聲中氣流沖擊量較大，兩側(cè)NXIIts均被切斷后，鳴肌失去神經(jīng)支配，鳴聲發(fā)出主要依靠呼吸運(yùn)動(dòng)呼出的氣流振動(dòng)鳴膜產(chǎn)生，鳴聲響度大幅度降低，音節(jié)時(shí)程短，故只能通過增加音節(jié)的脈沖數(shù)，維持或延長原有的音節(jié)時(shí)程。