PDF《雄性西藏蟾蜍的鸣声特征及听觉敏感性》

动物学杂志 Chinese Journal of Zoology 2019, 54(3):

321 ~

326 基金项目 国家自然科学基金项目(No.

31772464) ,中国科学院青年创新促进会项目(No. 2012274) ,中国科学院西部之光项目(No. 2016XBZG_XBQNXZ_A1_003) ,康定两栖爬行动物调查与评估项目(No. 2016HB2096001006) ;

? 通讯作者,E-mail: cuijg@cib.ac.cn;

第一作者介绍 蔡炎林,男,硕士研究生;

研究方向:无尾两栖类声音通讯和性选择;

E-mail: caiyl@cib.ac.cn. 收稿日期:2018-12-14,修回日期:2019-03-11 DOI: 10.13859/j.cjz.201903002 雄性西藏蟾蜍的鸣声特征及听觉敏感性 蔡炎林①② 杨悦①② 赵龙辉①② 唐业忠① 崔建国①* ① 中国科学院成都生物研究所 成都 610041;

② 中国科学院大学 北京

100049 摘要:西藏蟾蜍(Bufo tibetanus)主要生活在海拔

2 400 ~

4 300 m 的高海拔地区,本研究分析了这一高 原两栖物种雄性个体的鸣声特征和听觉敏感性.采用录音机和指向性话筒,在野外记录西藏蟾蜍的广 告鸣声,使用听觉脑干反应(ABR)检测听觉敏感性.采用 Praat 声音分析软件绘制广告鸣声的波形图 和频谱图,鸣声特征参数通过 Adobe Audition 软件获取.广告鸣声由多个单音节鸣叫组成,鸣声主频为 (1

150 ± 99)Hz.ABR 对于刺激的响应以谷峰波形展示,听力图结果显示,听觉敏感区域在 1.4 ~ 2.0 kHz,但在 0.6 ~ 6.0 kHz 范围的听觉阈值均高于

70 dB,表明雄性西藏蟾蜍相较于其他物种听觉敏感 性较差.尽管雄性西藏蟾蜍的最佳听觉敏感频率(1.6 kHz)稍高于鸣声主频,但其鸣声能谱结构与听 觉敏感性曲线在 1.0 ~ 1.4 kHz 存在一定程度重叠,符合 匹配过滤假说 . 关键词:鸣声特征;

听觉脑干反应;

匹配过滤假说;

西藏蟾蜍 中图分类号:Q955 文献标识码:A 文章编号:0250-3263(2019)03-321-06 Call Characteristics and Auditory Sensitivity of Male Bufo tibetanus CAI Yan-Lin ①② YANG Yue ①② ZHAO Long-Hui ①② TANG Ye-Zhong ① CUI Jian-Guo ①* ① Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041;

② University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China Abstract: The Tibetan Plateau Toad (Bufo tibetanus) lives in the plateau regions at

2 4004

300 m above sea level. This is the first report to analyze the call characteristics and auditory sensitivity of male toad. Calls of

6 individuals were recorded by directional microphone connected to a digital audio recorder. Auditory sensitivity of

13 males was measured by auditory brainstem response (ABR). The waveform and spectrogram of advertisement calls were drawn using Praat software (Fig. 1). The acoustic properties were obtained using Adobe Audition software. The advertisement call of male toad consists of a single note with a dominant frequency of

1 150 ±

99 Hz. ABR to tone pips were characterized by valley-peak waveforms (Fig. 2). The audiogram shows that the most sensitive frequency region is 1.42.0 kHz, but the ABR thresholds are above

70 dB across 0.66.0 kHz which means that this toad has a poor auditory sensitivity compared with other ・322・ 动物学杂志 Chinese Journal of Zoology

54 卷species (Fig. 3). The power spectra of the male call overlap the audiogram at 1.01.4 kHz, which supported the matched filter hypothesis, although the best auditory sensitive frequency (1.6 kHz) is slightly higher than the dominant frequency of the male call. Key words: Call characteristics;

Auditory brainstem response;

The matched filter hypothesis;

Bufo tibetanus 声音通讯是无尾两栖类个体间最主要的交 流手段,与在繁殖季节的雄性竞争和吸引雌性 等行为密切相关(Wells 1977,Gerhardt et al. 2002) . 在多数情况下由雄性个体发出鸣叫, 声 音信号在传递过程中携带多种信息,包括信号 发出者的身体大小、位置信息以及是否有繁殖 场所等(Cui et al. 2012,Zhu et al. 2017) . 听觉敏感性反映了个体对声音信号的接收 能力,无尾两栖类的听觉敏感性主要由其内耳 的两栖乳突(amphibian papilla)和基底乳突 (basilar papilla)决定.其中,两栖乳突决定 低、中频听觉敏感性,基底乳突决定高频听觉 敏感性(Smotherman et al. 2000) .听觉脑干反 应(auditory brainstem response,ABR)能很好 地估计听力图的形状,因此是研究听觉敏感性 和听觉系统功能的重要手段,已大量应用于包 括无尾两栖类在内的多个脊椎动物类群中 (Corwin et al. 1982, Womack et al. 2017) . ABR 是一种听觉激发电位反应,它表征的是听觉神 经和脑干神经元同步活动的总输出,其波形由 一系列典型的正负变量表征,根据这些变量的 有无来确定听觉阈值(Stapells et al. 1997, Brittan-Powell et al. 2010) . 匹配过滤假说 (the matched filter hypothesis)认为,听觉敏感性与鸣声频率相匹 配,可以过滤鸣声频率以外的其他频率信号. 神经过滤机制与鸣声信号特性的一致性可以有 效过滤噪声干扰,使信号传递效率最大化 (Capranica et al. 1983) . 匹配过滤假说 已在 多个物种中得到支持,包括两栖类(Zhu et al. 2017) 、爬行类(Chen et al. 2016)以及鸟类 (Dooling et al. 1971)等.大多数无尾两栖类 的听觉敏感性与种内声音信号相匹配,以提高 声音信号的信噪比(Feng et al. 2007) .但是, 也存在不符合 匹配过滤假说 的例子,小湍 蛙(Amolops torrentis)的广告鸣叫主频(4.3 kHz)与最佳听力范围(1.6 ~ 2.0 kHz)完全不 匹配(Zhao et al. 2017) . 西藏蟾蜍(Bufo tibetanus)主要分布于青 海、 西藏、 四川及云南等海拔在

2 400 ~

4 300 m 的高原草地或山区,主要在夜间外出活动(Fei et al. 2016) .国内已有关于西藏蟾蜍皮肤组织 学结构(高凤娟等 2016)及系统地理学研究 (Zhan et al. 2011) ,但没有声音通讯相关的研 究. 受青藏高原低温、 低氧等极端环境的影响, 西藏蟾蜍的声音通讯可能存在适应性变化.本 研究通过野外鸣声录制及听觉敏感性检测等手 段以了解西藏蟾蜍这一高海拔分布物种声音通 讯的相关情况.为探讨高原蛙类声音通讯系统 的高原适应提供研究基础.

1 材料与方法 1.1 研究地点和研究对象

2018 年5月, 在康定市塔公乡塔公草原附 近(30°18?37.5?N,101°30?32.7?E)录制成体雄 性西藏蟾蜍的鸣声. 录音期间, 环境温度 (6.1 ± 2.2)℃,相对湿度 56.8% ± 6.5%.听觉脑干反 应(ABR)电生理实验在将活体样本带回实验 室后一周内完成, 共检测

13 个雄性样本, 实验 期间室内温度为(23.7 ± 1.1)℃. 1.2 声音录制 野外研究期间,晚上

21 至23 时在西藏蟾 蜍栖息水塘边使用指向性麦克风(Sennheiser ME66 with K6 power module)连接录音机 (Marantz PMD 661,16 bit,44.1 kHz)进行录 音,麦克风距离蟾蜍

1 m 左右.录音时采用单 声道模式,录音文件以 wav 格式保存,每段录 音时长约为

4 min,包含同一个体的多次鸣叫.

3 期 蔡炎林等:雄性西藏蟾蜍的鸣声特征及听觉敏感性 ・323・ 1.3 ABR 检测 ABR 检测在一个小型铁质隔音屏蔽箱 (长0.5 m * 宽0.5 m * 高0.5 m)中进行,实验动 物均使用 0.2% MS-222(鱼安定, tricaine methane sulfonate, 北京格林恒兴生物科技有限 公司)溶液进行轻微麻醉,直至动物对夹趾没 有明显反应,该过程一般耗时

2 ~

4 min.测量 时实验对象保持自然姿势且头部垂直朝向播放 刺激的音箱 (SME-AFS, Saul Mineroff Electronics, Elmont, NY ) ,

3 根27 号皮下针状电极(Rochester Electro-Medical, Inc., FL, USA)分 别植入头顶、鼓膜和对侧前肢的皮下.电极与 信号放大器(PA4 &

RA4,

20 * gain)连接,信 号放大器通过光纤与数字信号处理器 RM2 (Tucker-Davis Technologies, Gainesville, USA) 连接.RM2 通过 USB 接口与电脑连接,使用 Open ABR 软件操作.通过便携式音箱(SME- AFS;

Saul Mineroff Electronic Inc, USA) 播放两 种声音刺激(纯短音 tone pips 和短声 clicks) , 其中 tone pips 用来测量在每个频率的听觉阈 值,clicks 作为对呈现生物学信号反应的验证 (作为阳性对照) . 实验时音箱与蟾蜍吻端的距 离约为

10 cm,此外,tone pips 刺激的范围为 0.6 ~ 6.0 kHz(0.

6、0.

8、1.

0、1.

2、1.

4、1.

6、 1.

8、2.

0、2.

2、2.

4、2.

6、2.

8、3.

0、3.

2、3.

4、 3.

6、3.

8、4.

0、5.

0、6.0 kHz) ,每个刺激频率 都测量

9 个声压梯度,梯度间隔设置为

5 dB, 由于预实验显示西藏蟾蜍听觉阈值较高,选择 的梯度范围为

50 ~

90 dB.刺激包括

1 ms 的上 升/下降时间和

3 ms 的平台时间,取样率为

24 414 Hz.每次测量结果由

400 次重复刺激的平 均值产生.在每个刺激频率下均进行

2 次重复 的ABR 测量. ABR 实验前,用G.R.A.S.

46 BE 1/4 英寸 的麦克风 (G.R.A.S. Sound &

Vibration, Denmark) 对0.6 ~ 10.0 kHz 的声音刺激声压级进行校准, 校准时麦克风前端位于实验时蟾蜍头部的大概 位置. 1.4 数据统计和分析 采用 Praat 声音分析软件绘制西藏蟾蜍广 告鸣声的波形图和频谱图,使用Adobe Audition 3.0(Adobe USA)和Praat 软件统计 广告鸣声的主频(dominant frequency) 、谐波 数(harmonic number ) 、 音节时长(note duration) .每只蟾蜍随机取

4 ~

6 个广告鸣声, 计算鸣声主频、谐波数及音节时长的平均值作 为该个体的广告鸣声特征数据,然后对所有个 体鸣声数据再次求平均. ABR 阈值的获取方法参照其他使用 ABR 检测无尾两栖类听觉敏感性的研究 (Zhang et al. 2012, Cui et al. 2017) ,即每个频率下有明显反 应电位的最低声压值被视为该频率的听觉阈 值,统计时将两次测量的最低阈值作为对应频 率的数值.在特定频率下,ABR 阈值越低表示 在该频率下听觉敏感性越好.本研究使用

13 个雄性个体的 ABR 数据,以代表雄性西藏蟾 蜍整体的听觉敏感性. ABR 阈值和形态参数使 用SigmaPlot

11 软件(Systat Software Inc., San Jose, USA)进行统计分析.数据均以平均值 ± 标准差(Mean ± SD)表示.

2 结果 2.1 鸣声结构及参数 在野外共获得6只西藏蟾蜍的27个广告鸣 声. 图1展示了西藏蟾蜍广告鸣声的波形图 (图1a)及频谱图(图1b) .西藏蟾蜍的鸣声比较 单一,广告鸣声均为短促的单音节.每个音节 包含多个频率段并且由多个谐波(16 ± 3)组成,音节时长(80.67 ± 13.89)ms.能谱分析 结果显示,西藏蟾蜍广告鸣声主频为(1

150 ± 99)Hz. 2.2 ABR 波形图 ABR 波形图由一系列发生于声音刺激后

10 ms 以内的波组成,图2a 展示了雄性西藏蟾 蜍在 1.6 kHz 刺激下典型的 ABR 波形图. 在图 2a 中能看到明显的谷峰波形结构,但波形的振 幅随着声压级的下降而减小.图2b 展示了将 ・324・ 动物学杂志 Chinese Journal of Zoology

54 卷图1西藏蟾蜍的波形图(a)及频谱图(b) Fig.

1 Amplitude-modulated waveform (a) and spectrogram (b) of Bufo tibetanus 图21.6 kHz 频率下雄性西藏蟾蜍 ABR 波形图 Fig.

2 Representative ABR waveforms of male Bufo tibetanus in response to 1.6 kHz tone bursts a. ABR 波形图;

b. 放大图.a. ABR waveform;

b. Enlarged view. 横向箭头表示在该 ABR 波形图中观察到的听觉阈值. The right-pointing arrowheads depict the visually detected threshold in the ABR waveform. ABR 波形图部分放大后的结果,反应波在

60 dB 消失,只能观察到由噪音产生的微小杂 波,在该波形图下雄性西藏蟾蜍在 1.6 kHz 下 的听觉阈值为

65 dB. 2.3 听觉敏感性曲线及鸣声能量谱 各频率 ABR 阈值是在该频率下能检测到 的最低刺激强度,多个频率下的 ABR 阈值组 ........