魚的對話和演講技巧
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幾年前，我在美國華盛頓大學(xué)生物系的布魯斯·卡爾森（Bruce Carlson）教授的實驗室實習(xí)時，實驗室里的博士后小橋常彥（Tsunehiko Kohashi）總是如此介紹自己的研究：“我研究的問題是... ...” 沉默片刻后，他接著說，“演講過程中停頓的作用?！?/span>
我們說話的時候經(jīng)常會通過刻意停頓來吸引聽眾的注意力。一個句子中間的片刻沉默仿佛在提示：“重要的部分要來了，請注意聽好了！” 但是，據(jù)我所知，小橋是一位魚類研究者。他在日本讀博士時研究金魚，來美國之后研究的是一種會放電的魚。
難道魚也會演講？
確實，他養(yǎng)的魚會說話，但是是通過電波，也就是放電，來互相交流。
說到會放電的魚，我們通常會想到能都把牛電暈的電鰻和電鰩。這些可怕的魚類通過釋放幾百伏高壓電來捕食和防御，可以說在自然界無人能敵。而在實驗室研究的電魚則被稱為弱電魚。它們放出的電壓通常不到一伏，不具有殺傷能力，只是用來感知環(huán)境和與同類交流。
記得第一天到實驗室的時候，卡爾森教授就把我領(lǐng)到他們的魚缸前。他把一根連著音箱的電線放進魚缸里。這時音箱里就傳來 “嗒嗒，嗒嗒，嗒嗒嗒嗒……” 的聲音，就像諜戰(zhàn)片里發(fā)報機的摩斯電碼聲。當(dāng)電線的一頭越靠近魚的時候，音箱里的 “嗒嗒” 聲就越響；當(dāng)對準(zhǔn)另外一條魚的時候，音箱里的 “嗒嗒” 聲就變了一種節(jié)奏。這是一種來自非洲尼日爾河流域的象鼻魚科魚類（圖1. A和B），它們正在水中發(fā)射電脈沖來和同類交談。
隨后卡爾森教授又把音箱線探入另外一個魚缸。這時音箱里發(fā)出一種持續(xù)不斷的 “嘟————” 聲，而這持續(xù)的 “嘟——” 聲中有些像吉他滑弦一般地音高顫動。這是另一種用電波交談的魚。它們來自南美洲的亞馬遜河（圖1. C），外形和電波的形式和非洲的電魚迥異（圖2）。
動物可以感受環(huán)境的電場，這種能力在自然界中并不罕見。七鰓鰻、鯊魚、硬骨魚、蠑螈，甚至是哺乳動物里的鴨嘴獸和海豚，大部分的水生動物都具備這種能力。
每當(dāng)動物運動的時候，肌肉收縮會伴隨著肌肉電的產(chǎn)生。因為水可以導(dǎo)電，通過感受其他動物靠近時發(fā)出的肌肉電，水生動物可以發(fā)現(xiàn)隱蔽在黑暗中的獵物或者天敵。
但這種被動地感受其它動物發(fā)出的肌肉電有一個缺點：如果獵物或者天敵埋伏不動，不產(chǎn)生肌肉電，就無法探測到它們。
于是機智的非洲電魚和南美電魚在地球的兩端不約而同地進化出了一種技能：主動的產(chǎn)生一個電場。肌肉產(chǎn)生肌肉電本身是為了刺激其收縮，但電魚尾部的一些肌肉發(fā)生特殊變化，只產(chǎn)生肌肉電而不收縮，從而變成了單純的發(fā)電器官。
相應(yīng)的，分布在電魚身體和頭部各處的電場感受細(xì)胞則可以檢測其尾部發(fā)出的電場變化。于是，電魚就可以像一個活體金屬探測器一樣搜索水底，當(dāng)它的身邊有可以導(dǎo)電性生物的時候，那里附近的電場感受細(xì)胞會感覺到更大的電流；相反，如果那里是一塊不能導(dǎo)電的石頭，附近的電場感受細(xì)胞會感覺到更弱的電流。因此，通過感受自己產(chǎn)生的電場在環(huán)境里被變形的狀態(tài)，電魚就可以在漆黑的夜里 “看” 到水底的障礙物和隱匿的獵物。
一只電魚可以愉快地收聽自己放出的電波在環(huán)境里的 “回響”，但兩只電魚同時在放電的時候問題就來了。
每只電魚通常以接近但不完全相同的頻率放出電波，這兩個電波就會發(fā)生干涉。干涉使得每一只魚感受到的不再只是自己發(fā)出的電波，而是一個振幅呈周期性變化的疊加電波（調(diào)幅的頻率等于兩個波源頻率之差），而這個振幅變化的幅度遠(yuǎn)大于它們用來探測到身旁導(dǎo)電物體所以據(jù)的幅度變化，于是這個活體金屬探測器就受干擾失靈了。
這就像是不同廣播電臺會有自己固定的頻率，如果兩個電臺頻率太接近就會互相串臺。電魚應(yīng)對這種干擾的策略是在 “頻道” 上相互禮讓：原本放電頻率高的再稍微調(diào)高一點，原本放電頻率低的再稍微調(diào)低一點。
這個相互禮讓的方法聽起來容易做起來難。問題關(guān)鍵在于，電魚需要判斷另外一只電魚的放電頻率究竟是比自己高，還是比自己低。如果這個判斷錯了，就像迎面開來的兩輛車，一輛往左讓，一輛往右讓，結(jié)果就撞在一起了。
要從業(yè)已疊加在一起的電波中得知對方的頻率高低，電魚采用的方法是看疊加電波相位與振幅的關(guān)系。因為自身產(chǎn)生的電波的波源比較近，所以振幅會比較大。如果對方的頻率稍慢，疊加起來的結(jié)果是，疊加電波的振幅變大的時候相位會推遲；而振幅變小的時候相位會提前。如果對方的頻率稍快，振幅與相位的關(guān)系的則是反過來的。
電魚除了通過放電來感知環(huán)境之外，也可以通過放電來與同類交流。
前面我們說到，放電來感知環(huán)境的時候，電魚要想辦法排除來自同類產(chǎn)生的電波的干擾。而如果電魚通過放電來和同類交流，就要反過來要排除自己放出電波對接聽到對方發(fā)來的電波所產(chǎn)生的干擾。
這其實一個神經(jīng)系統(tǒng)非常普遍的功能，叫做感知副本（Efference copy，又稱 Corollary discharge）。我們在說話的時候還能同時聽到別人說話的聲音，就是因為我們的大腦發(fā)出要說什么話的命令給咽喉的同時，也把要說的內(nèi)容抄送了一份給分析處理聽覺的腦區(qū)，這樣聽覺腦區(qū)就可以知道此時那些話是我們自己說的，那些話是聽到別人說的。
感知副本其實滲透在我們大腦功能的方方面面，比如說我們會在過山車的感覺到天旋地轉(zhuǎn)，而如果是自己抬頭看天低頭看地左顧右盼，則不會覺得世界被顛倒。這就是因為當(dāng)我們自己主動轉(zhuǎn)頭的時候，我們大腦也會發(fā)送一份轉(zhuǎn)頭之后看到的世界會怎樣旋轉(zhuǎn)的感知副本給我們的視覺腦區(qū)。而如果是猝不及防被動轉(zhuǎn)頭的話，視覺系統(tǒng)沒有事先收到通知，就會真的以為世界顛倒了。
回到演講話題。非洲電魚通過電脈沖來交流，他們的 “語言” 是什么樣的呢？
不同物種的電魚的電脈沖的波形各不相同。同一個物種的不同個體的電脈沖的波形也略有不同。所以電脈沖的波形是身份的標(biāo)識，電魚可以通過它來認(rèn)出對方是誰。
而電魚說話的內(nèi)容則是通過 “嗒嗒，嗒嗒，嗒嗒嗒嗒……” 的頻率變化的表達(dá)。雖然我們還不能完全解讀電魚們之間 “嗒嗒，嗒嗒嗒嗒……” 地都在說些什么，但我們是可以看出他們之間是有交流的，一只電魚快速的地 “嗒嗒嗒嗒嗒嗒” 一通后，另外一只電魚往往也會 “嗒嗒嗒嗒嗒嗒” 一通作為回應(yīng)。
我們一開始的提到的小橋同學(xué)最近在《當(dāng)代生物學(xué)》（Current Biology ）發(fā)表了他關(guān)于電魚 “演講” 中的停頓技巧的研究成果 [2]。他發(fā)現(xiàn)平常電魚 “自言自語” 的時候語速還挺快，像個連珠炮，通常每個電脈沖之間間隔10到500微秒不等。但如果有兩只電魚在一起時候，也就是有 “聽眾” 的時候，它們之中偶爾有一只說著說著就停下來沉默一兩秒鐘。研究人員還用水里的電極人為發(fā)出電脈沖來模擬另外一只電魚的 “嗒嗒嗒嗒嗒嗒”，然后看電魚的反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩段的快速 “嗒嗒嗒嗒嗒嗒” 中間間隔個兩秒以上的時候，電魚的回話最為積極。
更有意思的是，如果把兩只電魚分別放在兩個魚缸里，然后兩個魚缸之間用電線連起來，這樣兩只電魚就可以通過電線來 “打電話” 了。然后再在他們 “聊天” 的過程中人為地掐斷 “電話線” 兩秒鐘，電魚發(fā)現(xiàn)另外一邊沒聲了，就會特別激動地 “嗒嗒嗒嗒嗒嗒” 一通。如果說兩條魚之間算是 “對話”，那么一條魚對4條魚可以算 “演講” 了。研究人員發(fā)現(xiàn)了相似的現(xiàn)象：“演講魚” 停頓后，“聆聽魚” 組團激動地 “嗒嗒嗒嗒嗒嗒”。
卡爾森教授接受華盛頓大學(xué)媒體采訪時表示，“演講魚” 在停頓后會發(fā)出更高頻率的電脈沖，這可能在傳遞重要的 “演講” 信息 [3]。也就是說，“演講魚” 在發(fā)布重要信息之前會 “故意” 停頓一下。
那么，如何在神經(jīng)層面上解釋這種 “演講” 過程中停頓的作用呢？
研究人員通過記錄不同級的電感覺神經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從第三級神經(jīng)細(xì)胞才開始對有沒有停頓區(qū)別對待。這些神經(jīng)細(xì)胞對重復(fù)刺激的反應(yīng)一鼓作氣，再而衰，三而竭，我們稱之為神經(jīng)反應(yīng)的適應(yīng)性。
相比于它們，電感受神經(jīng)的前兩級細(xì)胞似乎更有耐心，對重復(fù)的刺激也一視同仁地做出相同的反應(yīng)。或許我們聽覺神經(jīng)也和電魚的電感受神經(jīng)類似，對持續(xù)刺激的反應(yīng)一鼓作氣，再而衰，三而竭，所以如果這時候有個停頓讓它休息一下，之后它又能積極的反應(yīng)了。這就類似于課堂上老師不間斷講課，學(xué)生聽得昏昏欲睡，但老師突然停頓時，學(xué)生第一反應(yīng)是 “剛才講什么了？” “是不是要劃重點？” ——立馬來勁了。
很多研究都表明，電魚的大腦對電波的處理方式和人腦的對聲波的處理方式有很多共通之處。因為它們的電波比我們的聲波更簡單一些，所以研究它們可能會更容易發(fā)現(xiàn)一些通用的神經(jīng)算法。比如說，如何搭建一個神經(jīng)環(huán)路用以檢測的小于一微秒的信號時間差，這是一個神經(jīng)系統(tǒng)普遍需要解決問題，我們也最早在電魚中找到答案。相信隨著我們對電魚的電波 “語言” 的更深入解讀，它們還會教給我們更多有關(guān)交流溝通的技巧。
制版編輯 | 盧卡斯
