大多数研究大脑的科学家认为，记忆是通过突触网络或神经元之间形成的连接来存储的。当神经元形成新的连接并加强或削弱现有的连接时，就会进行学习，从而使大脑具有所谓的突触可塑性。但是，越来越多的证据表明，细胞本身的固有内置特性(不仅仅是它们之间的联系)在此过程中也起作用。

芝加哥大学神经科学家的最新研究使用独特的模型-复杂的鸟类交配歌曲-展示了这些内在特性如何与复杂的学习过程紧密联系在一起。这项发表在《自然通讯》上的研究可能会为我们对大脑的理解增加新的复杂性。

这项新研究的神经生物学家，神经生物学家丹·马戈利亚什(Dan Margoliash)博士说：“我们能够直接从细胞的特性转变为动物的行为。”“这表明驱动学习和记忆的不仅仅是突触的快速变化，还包括细胞内在特性的变化。”

雄性斑马雀以唱歌复杂，精准的歌曲吸引雌性伴侣而闻名。他们试图每次都产生完全相同的音符样式和时机，并且女性在某种程度上通过其歌曲的准确性来判断男性的健康状况。但是这些鸟并不是天生就有完整的曲目。他们必须像年轻的萨克斯风手练习的音阶和基本旋律一样，学习和练习自己的电话，然后才能升入John Coltrane的目录。

当鸟类学习这种复杂行为时，Margoliash以此为契机研究大脑的基础活动。他说：“自学是很美妙的事，但这不仅关乎歌手。这关乎神经科学。”

所有活细胞都有内部电压，该电压不同于其周围环境的电压。神经元之所以特别，是因为它们具有所谓的动作电位，或者具有迅速改变流入和流出细胞的电流的能力。这些动作电位中的尖峰顺序和时间构成了神经元通过网络传递的信息的构成，因此它们是理解大脑学习方式的重要数据来源。

在这项新研究中，Margoliash和Arij Daou博士(曾是UChicago的前博士后学者，现在是黎巴嫩贝鲁特美国大学的助理教授)记录了斑马雀科神经元在不同发育阶段的动作电位尖峰的模式-成人具有完全发达的歌曲模式和仍在学习的幼鸟的鸟类。

神经元在其细胞膜中嵌入了各种通道和蛋白质，这些通道和蛋白质可以根据流入或流出的电流以复杂的方式打开和关闭。机制的集合包括细胞的固有特性，其可以随流过细胞膜的电流的大小和强度而变化。

记录了流过细胞的电流后，Margoliash和Daou设计了一种数学方法来比较两只给定鸟类的内在特性相互匹配的程度。给定鸟类中一类神经元的内在特性彼此相似，但它们在鸟类之间是不同的。但是，当研究人员对他们的歌曲彼此之间的相似程度进行类似的计算时，他们得出了惊人的结论。

“这是伟大的'啊哈!'片刻，”马戈利亚什说。“当我们对鸟类进行计算时，我们发现就其内在属性而言接近的鸟类也有相似的歌曲。”

这种关系在不同的鸟类配对中也很重要。由同一个父母抚养的同胞成年鸟-以相同的方式教导-具有相似的歌曲和固有的细胞特性。但是尚未完善歌曲的幼鸟遍布地图。少年的内在细胞特性与其歌曲之间没有明确的关系，无论它们如何关联。

研究人员还能够证明细胞的内在特性如何响应歌曲模式的变化而变化。使用记录鸟鸣声并稍稍延迟播放的设备，会导致鸟鸣声以类似于人类口吃的方式改变其歌曲模式。他们立即开始尝试唱歌而陷入困境。最终，这样的鸟会卡在某些音符上，或者在自然环境下不会产生重复的模式。

有趣的是，同样的技术也会引起人的口吃。如果说话者听自己的声音稍有延迟，就会使他们跳过单词并重复音节。但是对于许多口吃的人来说，听到延迟进食可以帮助减少口吃。

在听到口吃诱导的延迟反馈后的几个小时内，这些鸟类中神经元的内在特性也发生了变化，这表明它们与歌唱行为的改变直接相关。Margoliash说，这证明了口吃的生物学机制，鉴于行为相似，它也可以为人类提供有用的模型。