Understanding the structure and function of neural circuits underlying speech and language is a vital step towards better treatments for diseases of these systems. Songbirds, among the few animal orders that share with humans the ability to learn vocalizations from a conspecific, have provided many insights into the neural mechanisms of vocal development. However, research into vocal learning circuits has been hindered by a lack of tools for rapid genetic targeting of specific neuron populations to meet the quick pace of developmental learning. Here, we present a new viral tool that enables fast and efficient retrograde access to projection neuron populations. In zebra finches, Bengalese finches, canaries, and mice, we demonstrate fast retrograde labeling of cortical or dopaminergic neurons. We further demonstrate the suitability of our construct for detailed morphological analysis, for in vivo imaging of calcium activity, and for multicolor brainbow labeling.

We established a multilayer microfluidic Aorta-Gonad-Mesonephros (AGM)-on-a-chip to emulate developmental hematopoiesis from human pluripotent stem cells. We show that the AGM-chip efficiently derives endothelial-to-hematopoietic transition (EHT) in the presence of mesenchymal stroma and endothelial cells. The AGM-chip could dissect the cellular and molecular mechanisms of human developmental hematopoiesis.

Serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) is a phylogenetically conserved neurotransmitter and modulator. Neurons utilizing serotonin have been identified in the central nervous systems of all vertebrates. In the central serotonergic system of vertebrate species examined so far, serotonergic neurons have been confirmed to exist in clusters in the brainstem. Although many serotonin-regulated cognitive, behavioral, and emotional functions have been elucidated in mammals, equivalents remain poorly understood in non-mammalian vertebrates. The purpose of this review is to summarize current knowledge of the anatomical organization and molecular features of the avian central serotonergic system. In addition, selected key functions of serotonin are briefly reviewed. Gene association studies between serotonergic system related genes and behaviors in birds have elucidated that the serotonergic system is involved in the regulation of behavior in birds similar to that observed in mammals. The widespread distribution of serotonergic modulation in the central nervous system and the evolutionary conservation of the serotonergic system provide a strong foundation for understanding and comparing the evolutionary continuity of neural circuits controlling corresponding brain functions within vertebrates. The main focus of this review is the chicken brain, with this type of poultry used as a model bird. The chicken is widely used not only as a model for answering questions in developmental biology and as a model for agriculturally useful breeding, but also in research relating to cognitive, behavioral, and emotional processes. In addition to a wealth of prior research on the projection relationships of avian brain regions, detailed subdivision similarities between avian and mammalian brains have recently been identified. Therefore, identifying the neural circuits modulated by the serotonergic system in avian brains may provide an interesting opportunity for detailed comparative studies of the function of serotonergic systems in mammals.

Erythropoiesis is regulated by microenvironmental factors from the vasculature. Enhanced erythropoiesis, which occurs under stress or during development, amplifies erythroid cells to meet the demand of red blood cells. This process uncouples cell division and differentiation, thus the accumulated erythroid cells remain undifferentiated in the vasculature. However, little is known about how vascular endothelial cells (ECs) regulate erythropoiesis. Here we identified that human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) keep erythroid cells undifferentiated and amplify their number. We determined that HUVECs amplify erythroid cells via secreted angiocrine factors. The expression profile of these factors suggested that they resemble macrophage-crines for enhanced erythropoiesis. Molecularly, HUVECs mediate the activation of ERK signaling. These data indicate that angiocrine factors from HUVECs enhance erythropoiesis via the amplification of undifferentiated erythroid cells. Our study contributes to the ultimate goal of harnessing erythropoiesis to replace blood transfusions.

Abstract Many songbirds learn to produce songs through vocal practice early in life and continue to sing numerous renditions of their learned songs daily throughout their lifetime. While it is well-known that adult songbirds sing as part of a mating ritual, the functions of singing behavior outside of reproductive contexts are not fully understood. Here, we demonstrate that adult singing outside of reproductive contexts serves to prevent passive changes in song performance. We suppressed the daily singing behavior of adult zebra finches produced in the solo context for two weeks using a reversible behavioral manipulation and examined the effect on song performance. Our results indicated that suppressing daily singing significantly decreased the pitch of song elements and both the amplitude and duration of song motifs. These findings suggest that adult song is not acoustically stable without singing, and that adult birds maintain their song performance by daily singing. Moreover, we found that the changes in song structure caused by singing suppression were substantially recovered within two weeks of free singing, even in deafened birds. Thus, the recovery of song performance does not necessarily require auditory feedback but is predominantly caused by singing behavior per se (i.e., the physical act of singing). Finally, unlike the auditory feedback-dependent song plasticity reported previously, the passive song changes caused by singing suppression were not significantly dependent on age. Taken together, our findings demonstrate that adult songbirds maintain song performance by preventing passive song changes through the physical act of daily singing throughout their life. Such daily singing likely functions as vocal training to maintain the neural and/or muscular system in optimal conditions for song performance in reproductive contexts, similar to how human singers and athletes practice daily to maintain their performance.

Abstract The Bengalese finch was domesticated more than 250 years ago from the wild white-rumped munia. Similar to other domesticated species, Bengalese finches show a reduced fear response and have lower corticosterone levels, compared to white-rumped munias. Bengalese finches and munias also have different song types. Since oxytocin ( OT ) has been found to be involved in stress coping and auditory processing, we tested whether the OT sequence and brain expression pattern and content differ in wild munias and domesticated Bengalese finches. We identified intra-strain variability in the untranslated regions of the OT sequence in Bengalese finches in comparison to the munia OT . Several of these changes fall in specific transcription factor binding sites, which show either a conserved or a relaxed evolutionary trend in the avian lineage, and in vertebrates in general. Although in situ hybridization in several hypothalamic nuclei did not reveal significant differences in the number of cells expressing OT between the two strains, real-time quantitative PCR showed significantly lower OT mRNA expression in the diencephalon of the Bengalese finches relative to munias. Our study thus points to a decreased OT synthesis in the domestic strain compared with the wild strain in birds. This is an opposite pattern from that found in some domesticated mammals, suggesting that different processes of OT function might have occurred in mammals and birds under domestication.

Abstract Songbirds use auditory feedback to maintain their own songs. Juveniles also memorize a tutor song and use memory as a template to make up their own songs through auditory feedback. A recent electrophysiological study revealed that HVC neurons respond to BOS playback only in low arousal, sleeping, or anesthetized conditions. One outstanding question is how does auditory suppression occur in the brain? Here, we determined how arousal affects auditory responses simultaneously in the whole brain and over the song neural circuit in Bengalese finches, using the immediate early gene egr-1 as a marker of neural activity. Our results showed that auditory responses in the low-arousal state were less susceptible to gating, which was also confirmed by gene expression, and that the suppression may be weaker than observed in previous zebra finch studies. This may be because the Bengalese finch is a domesticated species. In addition, our results suggest that information may flow from the MLd.I of the midbrain to higher auditory regions. Altogether, this study presents a new attempt to explore the auditory suppression network by simultaneously investigating the whole brain using molecular biology methods.