《SCIENCE》：Seal and sea lion brains have evolved to support volitional control of vocal behavior and learning
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本研究旨在揭示鳍足类动物（如海豹和海狮）与陆地食肉动物相比，为何在发声学习和灵活性上展现出显著差异。研究人员利用离体扩散磁共振成像束路示踪技术，对加州海狮、北海豹、港海豹和郊狼的大脑进行了比较分析。结果发现，所有鳍足类动物（而非郊狼）都具有连接发声运动皮层与脑干发声核团的直接通路，这支持了库伊珀斯-尤尔根斯假说。港海豹的前脑通路（涉及前腹外侧丘脑与发声前运动皮层）尤其发达，类似于鸟类和人类中与发声学习和模仿相关的回路。该工作为理解哺乳动物发声学习的神经演化机制提供了关键证据。
在动物界，能像人类一样“能说会道”，通过学习来改变和创造新声音的物种并不多见。除了我们熟知的鹦鹉、蜂鸟等鸟类，以及蝙蝠，海豹家族——特别是港海豹——竟也拥有模仿人类语言的非凡能力。这引出了一个深刻的科学问题：是什么让这些海洋哺乳动物具备了这种高级的发声灵活性？它们的大脑与我们熟知的陆地近亲（如犬科动物）有何根本不同？为了解答这些问题，一支研究团队对海豹、海狮以及作为对照的郊狼的大脑进行了深入剖析，试图从神经通路的层面，揭示支撑哺乳动物发声学习与意愿性控制的演化奥秘。他们的研究成果发表在国际顶级期刊《SCIENCE》上，为我们理解语言能力的神经基础提供了来自海洋的全新视角。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了两种关键技术。首先是组织学方法，用于精确定位大脑关键核团，例如通过尼氏染色确认脑干中疑核的位置。其次是离体高分辨率扩散磁共振成像（diffusion MRI）束路示踪技术，该技术能够在完整脑组织中无创地绘制神经纤维连接通路。研究样本为通过机会获取的死亡动物大脑，包括四只加州海狮、三只北方象海豹、四只港海豹和四只郊狼。通过对这些大脑进行手动分割多个感兴趣脑区，研究者系统追踪了与发声控制和学习相关的多条神经通路。
研究结果
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Vocal motor cortex–to–nucleus ambiguus pathway（发声运动皮层至疑核通路）
研究发现，所有被研究的鳍足类动物（海狮和海豹）的大脑中，都存在一条强劲且看似直接的、连接大脑皮层的发声运动皮层与脑干疑核的神经通路，而作为对照的郊狼大脑中则不存在此通路。疑核是控制喉部、口腔和胸部呼吸、吞咽肌肉的脑干核团网络的一部分。这一发现支持了库伊珀斯-尤尔根斯假说，该假说认为这种直接的皮层-脑干连接是发声产生学习的进化前提。研究者推测，这条通路最初可能为了适应水生生活所需的精确意愿性呼吸控制而演化出来，进而为发声肌肉的精细控制奠定了基础。
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Auditory cortex–to–vocal premotor pathway（听觉皮层至发声前运动通路）
研究进一步发现，在两种海豹（象海豹和港海豹）中，存在类似人类弓状束的、连接听觉皮层与发声前运动皮层的强劲通路，而海狮中则没有。这条听觉-运动皮层通路被认为与发育期的发声学习相关。有趣的是，在港海豹中，雄性的这条通路比雌性更为强劲，这与在鸟类中的发现相似。这一通路可能在海豹从海狮分支出来后演化出来，以支持它们在繁殖中更依赖声音信号交流所需的发育期发声学习。
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Anterior striatal thalamocortical circuit（前纹状体丘脑皮层回路）
尽管鸟类发声学习研究中前纹状体丘脑皮层回路至关重要，但本研究在该回路中观察到的物种间差异有限。然而，港海豹表现出其前腹外侧丘脑与发声前运动皮层之间的连接性显著增强。在人类和能模仿的鸟类（如鹦鹉）中，类似的丘脑-前运动皮层通路与复杂的发声模仿能力有关。因此，研究认为这条增强的通路可能在港海豹卓越的模仿能力中扮演了特殊角色。
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其他通路比较
此外，港海豹的大脑还显示出相较于其他物种显著增强的前扣带回至中脑导水管周围灰质的连接性，该通路与意愿性调用物种典型叫声有关。
研究结论与讨论
本研究通过比较神经解剖学方法，首次在鳍足类动物中描绘出发声灵活性相关的神经通路演化图谱。一个较简约的演化解释是：早期鳍足类祖先演化出了连接发声运动皮层与脑干发声核团的直接通路，这为强大的呼吸控制和快速的使用学习提供了基础。随后，在海豹家族中，为支持发育期发声学习，增强了听觉-运动皮层的连接。而在海豹科下的港海豹分支中，进一步演化出更强的丘脑-前运动皮层连接以及前扣带回-导水管周围灰质连接，这些可能与更复杂、认知要求更高的终身发声模仿学习能力相关。
这项工作部分验证并完善了关于哺乳动物发声可塑性与学习的行为学证据。研究结果支持了直接皮层运动-脑干发声连接对于发声产生学习的重要性，同时表明这种连接可能是必要但不充分的，高度灵活的发声行为还需要其他独立演化的脑环路支持。通过将行为证据与神经解剖学发现在一个具有明确谱系关系的哺乳动物类群中进行关联，这项研究为我们理解人类语言能力所依赖的神经基础是如何在演化中逐步构建的，提供了至关重要的线索。
