Нейробиология: как летучие мыши различают разные звуки

Сахарный листонос (Carollia perspicillata) обитает в субтропических и тропических лесах Центральной и Южной Америки. Животные проводят дни группами от 10 до 100 особей в дуплах и пещерах, а ночью вместе добывают пищу. Они общаются с помощью звуков, создающих в колонии постоянный фоновый шум.

Одновременно летучие мыши используют вокализацию для навигации — эхолокацию, испуская ультразвуковые сигналы, которые отражаются от поверхностей. Из этих эхо животные формируют «образ» окружения.

Вопрос: как летучие мыши фильтруют важные звуки из постоянного шума? Распространённое объяснение — мозг постоянно предсказывает следующий сигнал и сильнее реагирует на неожиданный, чем на ожидаемый. Это называется детекцией отклонения.

Нейробиологи под руководством Йоханнеса Ветекама и профессора Манфреда Кёссля из Университета Гёте во Франкфурте исследуют её механизмы. В 2021 году они уже показали, что обработка сигналов начинается не в высших отделах мозга, а уже в стволе мозга, отвечающем за жизненно важные функции (дыхание, сердцебиение). Однако в тех исследованиях использовались искусственные стимулы, не имевшие значения для животных.

В новой работе команда повторила эксперименты с естественными звуками общения и эхолокации. «Мы хотели выяснить, что происходит при детекции отклонения, когда вместо бессмысленных стимулов предъявляются те, что реально существуют в слуховом мире летучей мыши», — говорит Ветекам.

Под скальп летучих мышей (под общим наркозом) вводили два электрода толщиной с человеческий волос для регистрации мозговых волн. Мозг реагировал на звуки даже под наркозом. Животным проигрывали либо звуки эхолокации, либо общения, каждый из которых в 10% случаев прерывался другим звуком.

Измерения мозговых волн показали, что ствол мозга по-разному обрабатывает звуки эхолокации и общения:

• Эхолокационные звуки: редкие сигналы вызывали более сильный отклик, чем частые — проявлялась детекция отклонения.
• Звуки общения: вероятность их появления не влияла на силу ответа.

«Вероятно, летучим мышам нужно реагировать на эхолокацию быстрее, чем на общение с сородичами, — предполагает Манфред Кёссль. — Ствол мозга — первая станция в мозге, получающая акустические сигналы, поэтому расчёт вероятности эхолокационных вызовов, и особенно их эхо, может быть необходим там в первую очередь, чтобы животное могло своевременно уклониться от препятствий». Более сильная реакция на редкие вызовы, предположительно, связана с лучшей нейронной синхронизацией.

Исследование также показало, что ствол мозга может использовать для детекции отклонения и другие особенности звуков летучих мышей, например, быстрые изменения частоты или громкости, помимо различий в высоте тона. «Это удивительно, поскольку ствол мозга — довольно примитивная часть мозга, которую учёные ранее не считали способной к существенному участию в обработке сигналов, — отмечает Ветекам. — Его роль видели скорее в получении сигналов от слухового нерва и передаче их в высшие отделы мозга».

Эти выводы могут быть важны и для медицинских применений у людей. Например, при изучении таких заболеваний, как СДВГ или шизофрения, связанных с нарушением обработки внешних стимулов, следует учитывать и низкоуровневые отделы мозга. Тот факт, что ствол мозга летучей мыши по-разному обрабатывает различные сложные акустические сигналы, также может помочь учёным понять, как мозг расшифровывает и обрабатывает сложную человеческую речь.

Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of Neuroscience.