Исследование птичьего пения показывает, как мозг использует временны́е параметры при моторной активности

Новое исследование, опубликованное в PLOS Biology, показывает, что точное временно́е согласование — ключевой фактор для работы нейронов, контролирующих сложную моторную активность, такую как пение птицы.

«Вы можете узнать гораздо больше о том, что поёт птица, посмотрев на временну́ю картину возбуждения нейронов в её мозге, чем на частоту их возбуждения», — говорит Сэм Собер, биолог из Университета Эмори, чья лаборатория провела исследование. «Разница всего в миллисекунду во времени активности нейрона влияет на звук, выходящий из клюва птицы».

Результаты впервые указывают на то, что точное временно́е кодирование в нейронах по крайней мере так же важно в моторных системах, как и в сенсорных, а возможно, и более критично.

Лаборатория Собера использует в качестве модельной системы бенгальских амадин. Контроль птичьего пения имеет много общего с человеческой речью, как в процессе обучения в раннем возрасте, так и в вокализации у взрослых особей. Нейронные пути, отвечающие за пение, также хорошо изучены и ограничены этой одной активностью.

Исследователи давно знали, что для интерпретации сенсорной информации (зрения, слуха, вкуса) время спайков (импульсов) в клетках мозга может иметь большее значение, чем их частота или общее количество. Однако существовало предположение, что из-за относительно медленного времени отклика мышц временно́й код в нейронах не может влиять на контроль движений тела.

Идею проверить это предположение предложила студентка-бакалавр лаборатории Собера, Клэр Тан. Исследователи использовали массив электродов, каждый тоньше человеческого волоса, для регистрации активности отдельных нейронов взрослых амадин во время пения.

Птицы повторяют одну и ту же последовательность «слогов» многократно. Каждое исполнение последовательности немного отличается по высоте тона, и картина возбуждения нейронов также немного отличается.

Акустические сигналы пения записывались вместе со временем и частотой возбуждения отдельных нейронов. Исследователи применили методы теории информации, чтобы проанализировать, насколько можно узнать о поведении поющей птицы, рассматривая точное время спайков по сравнению с их количеством.

Результат показал, что для длительности одного песенного сигнала (40 мс) информация, содержащаяся во времени спайков, была в 10 раз больше, чем информация в их частоте.

«Наши результаты ясно показывают, что вы можете упускать много информации в нейронном коде, если не учитываете временны́е параметры», — заключает Собер.

Такие улучшения в понимании того, как мозг контролирует физические движения, открывают множество потенциальных медицинских применений. Например, в исследованиях по управлению протезами с помощью нейросигналов у парализованных людей основное внимание уделяется частоте возбуждения нейронов. Работа показывает, что, по крайней мере у певчих птиц, анализ времени спайков даёт гораздо больше информации о поведении, чем анализ их частоты. Если это окажется верным и для людей, использование временно́й информации может улучшить способность пациента контролировать протез.