Нейробиологи выявили нейронные паттерны, которые птицы используют для обучения пению

Самцы зебровых амадин, небольших певчих птиц из центральной Австралии, учат свои песни, копируя то, что слышат от отцов. Эти песни, часто используемые как брачные призывы, формируются в раннем возрасте, когда птенцы экспериментируют с имитацией услышанных звуков.

Нейробиологи MIT обнаружили мозговую активность, лежащую в основе этого процесса обучения. Последовательности нейронной активности, кодирующие первый слог песни птенца, дублируются и слегка изменяются, что позволяет птице производить несколько вариаций исходного слога. В конечном итоге эти слоги соединяются в уникальную песню птицы, которая остаётся неизменной на всю жизнь.

«Преимущество здесь в том, что для изучения новых слогов не нужно учить их с нуля. Можно повторно использовать уже изученное и немного модифицировать его. Мы считаем, что это эффективный способ изучения различных типов слогов», — говорит Тацуо Окубо, ведущий автор исследования, опубликованного 30 ноября в онлайн-издании Nature.

Окубо и его коллеги полагают, что этот тип дублирования нейронных последовательностей может лежать в основе и других видов моторного обучения. Например, последовательность, используемая для удара теннисной ракеткой, может быть перепрофилирована для схожего движения, такого как игра в пинг-понг.

Как рождается песня

Предыдущие исследования лаборатории Фи обнаружили, что часть коры головного мозга, известная как HVC, критически важна для производства песни. Обычно песня длится около секунды и состоит из нескольких слогов. У взрослых птиц отдельные нейроны HVC демонстрируют очень короткую вспышку активности — около 10 миллисекунд или меньше — в определённый момент песни. Разные наборы нейронов активны в разное время, и в совокупности песня представлена этой последовательностью вспышек.

В новом исследовании учёные хотели выяснить, как эти нейронные паттерны развиваются у только что вылупившихся зебровых амадин. Для этого они регистрировали электрическую активность нейронов HVC в течение трёх месяцев после вылупления птиц.

Когда зебровые амадины начинают петь (примерно на 30-й день после вылупления), они производят только бессмысленные слоги, известные как «подпесня», похожие на лепет человеческих младенцев. Сначала длительность этих слогов сильно варьируется, но через неделю они превращаются в более стабильные звуки — «протослоги», которые длятся около 100 миллисекунд. Каждая птица учит один протослог, который становится основой для последующих слогов.

Исследователи обнаружили, что в HVC нейроны активируются в последовательности коротких вспышек, соответствующей первому выученному протослогу. Большинство нейронов HVC участвуют в этой исходной последовательности, но со временем некоторые из них «извлекаются» из неё и создают новую, очень похожую последовательность. Эта цепочка нейронных последовательностей может быть перепрофилирована для производства разных слогов.

«Из этой короткой последовательности она разделяется на новые последовательности для следующих новых слогов», — объясняет Эмили Маккевичюс. Этот процесс разделения нейронных последовательностей повторяется, пока птица не научится производить от трёх до семи различных слогов. Весь процесс занимает около двух месяцев, после чего песня каждой птицы окончательно формируется.

Эволюция через дублирование

Исследователи отмечают, что этот процесс похож на то, что, как считается, движет производством новых генов и признаков в ходе эволюции.

«Если вы дублируете ген, то в обеих копиях могут происходить отдельные мутации, и в итоге они могут выполнять разные функции», — говорит Окубо. — «С моторными программами похожая ситуация. Можно дублировать последовательность, а затем независимо модифицировать две дочерние моторные программы, чтобы каждая из них делала немного разные вещи».