魚的對(duì)話和演講技巧
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幾年前，我在美國(guó)華盛頓大學(xué)生物系的布魯斯·卡爾森（Bruce Carlson）教授的實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí)時(shí)，實(shí)驗(yàn)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(shí)候經(jīng)常會(huì)通過刻意停頓來吸引聽眾的注意力。一個(gè)句子中間的片刻沉默仿佛在提示：“重要的部分要來了，請(qǐng)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(shí)研究金魚，來美國(guó)之后研究的是一種會(huì)放電的魚。
難道魚也會(huì)演講？
確實(shí)，他養(yǎng)的魚會(huì)說話，但是是通過電波，也就是放電，來互相交流。
說到會(huì)放電的魚，我們通常會(huì)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(wú)人能敵。而在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的時(shí)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(jìn)魚缸里。這時(shí)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(bào)機(jī)的摩斯電碼聲。當(dāng)電線的一頭越靠近魚的時(shí)候，音箱里的 “嗒嗒” 聲就越響；當(dāng)對(duì)準(zhǔn)另外一條魚的時(shí)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(gè)魚缸。這時(shí)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(dòng)。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(dòng)物可以感受環(huán)境的電場(chǎng)，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(dòng)物里的鴨嘴獸和海豚，大部分的水生動(dòng)物都具備這種能力。
每當(dāng)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，肌肉收縮會(huì)伴隨著肌肉電的產(chǎn)生。因?yàn)樗梢詫?dǎo)電，通過感受其他動(dòng)物靠近時(shí)發(fā)出的肌肉電，水生動(dòng)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(dòng)地感受其它動(dòng)物發(fā)出的肌肉電有一個(gè)缺點(diǎn)：如果獵物或者天敵埋伏不動(dòng)，不產(chǎn)生肌肉電，就無(wú)法探測(cè)到它們。
于是機(jī)智的非洲電魚和南美電魚在地球的兩端不約而同地進(jìn)化出了一種技能：主動(dòng)的產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。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(chǎng)感受細(xì)胞則可以檢測(cè)其尾部發(fā)出的電場(chǎng)變化。于是，電魚就可以像一個(gè)活體金屬探測(cè)器一樣搜索水底，當(dāng)它的身邊有可以導(dǎo)電性生物的時(shí)候，那里附近的電場(chǎng)感受細(xì)胞會(huì)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(chǎng)感受細(xì)胞會(huì)感覺到更弱的電流。因此，通過感受自己產(chǎn)生的電場(chǎng)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(shí)在放電的時(shí)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(gè)電波就會(huì)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(gè)振幅呈周期性變化的疊加電波（調(diào)幅的頻率等于兩個(gè)波源頻率之差），而這個(gè)振幅變化的幅度遠(yuǎn)大于它們用來探測(cè)到身旁導(dǎo)電物體所以據(jù)的幅度變化，于是這個(gè)活體金屬探測(cè)器就受干擾失靈了。
這就像是不同廣播電臺(tái)會(huì)有自己固定的頻率，如果兩個(gè)電臺(tái)頻率太接近就會(huì)互相串臺(tái)。電魚應(yīng)對(duì)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(diǎn)，原本放電頻率低的再稍微調(diào)低一點(diǎn)。
這個(gè)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(gè)判斷錯(cuò)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(duì)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?yàn)樽陨懋a(chǎn)生的電波的波源比較近，所以振幅會(huì)比較大。如果對(duì)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(shí)候相位會(huì)推遲；而振幅變小的時(shí)候相位會(huì)提前。如果對(duì)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(shí)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(duì)接聽到對(duì)方發(fā)來的電波所產(chǎn)生的干擾。
這其實(shí)一個(gè)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?cè)谡f話的時(shí)候還能同時(shí)聽到別人說話的聲音，就是因?yàn)槲覀兊拇竽X發(fā)出要說什么話的命令給咽喉的同時(shí)，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(shí)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(shí)滲透在我們大腦功能的方方面面，比如說我們會(huì)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(huì)覺得世界被顛倒。這就是因?yàn)楫?dāng)我們自己主動(dòng)轉(zhuǎn)頭的時(shí)候，我們大腦也會(huì)發(fā)送一份轉(zhuǎn)頭之后看到的世界會(huì)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(dòng)轉(zhuǎn)頭的話，視覺系統(tǒng)沒有事先收到通知，就會(huì)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(yǔ)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(gè)物種的不同個(gè)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(shí)，電魚可以通過它來認(rèn)出對(duì)方是誰(shuí)。
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(huì) “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(yǔ)” 的時(shí)候語(yǔ)速還挺快，像個(gè)連珠炮，通常每個(gè)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(shí)候，也就是有 “聽眾” 的時(shí)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(gè)兩秒以上的時(shí)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(gè)魚缸里，然后兩個(gè)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(huì)特別激動(dòng)地 “嗒嗒嗒嗒嗒嗒” 一通。如果說兩條魚之間算是 “對(duì)話”，那么一條魚對(duì)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(tuán)激動(dòng)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(shí)表示，“演講魚” 在停頓后會(huì)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(huì) “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(jí)的電感覺神經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從第三級(jí)神經(jīng)細(xì)胞才開始對(duì)有沒有停頓區(qū)別對(duì)待。這些神經(jīng)細(xì)胞對(duì)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(jí)細(xì)胞似乎更有耐心，對(duì)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(duì)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(shí)候有個(gè)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(shí)，學(xué)生第一反應(yīng)是 “剛才講什么了？” “是不是要?jiǎng)澲攸c(diǎn)？” ——立馬來勁了。
很多研究都表明，電魚的大腦對(duì)電波的處理方式和人腦的對(duì)聲波的處理方式有很多共通之處。因?yàn)樗鼈兊碾姴ū任覀兊穆暡ǜ?jiǎn)單一些，所以研究它們可能會(huì)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(gè)神經(jīng)環(huán)路用以檢測(cè)的小于一微秒的信號(hào)時(shí)間差，這是一個(gè)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(duì)電魚的電波 “語(yǔ)言” 的更深入解讀，它們還會(huì)教給我們更多有關(guān)交流溝通的技巧。
制版編輯 | 盧卡斯
