Как зяблик меняет свою песню

Как и музыканты высшего класса, певчие птицы с молодого возраста тренируются, чтобы устранять ошибки и уменьшать вариативность своих песен, становясь в итоге стабильными и надежными исполнителями. Но даже лучшие из них, как и люди-музыканты, не являются машинами. Чтобы учиться и совершенствоваться, мозгу певчей птицы необходимо встряхивать свои проверенные паттерны здоровой дозой творческого экспериментирования. До сих пор не был найден конкретный механизм, объясняющий, как это происходит.

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UC San Francisco) обнаружили неврологический механизм, который может объяснить, как нейронный "генератор креативности" певчих птиц позволяет им совершенствовать и изменять свои песни во взрослом возрасте. Это открытие может помочь понять, как человеческий мозг обучается сложным моторным навыкам — от игры на гобое до вождения автомобиля — и иметь долгосрочные последствия для лечения неврологических состояний, от болезни Паркинсона до обсессивных расстройств.

Для обучения песне птица использует специализированную часть своего мозга, эквивалентную человеческим базальным ганглиям — совокупности нейронных структур, расположенных в основании мозга.

"Это невероятно хорошо сохранившаяся цепь — от миног до нас — которая у людей связана со всем: от движения до настроения", — сказал ведущий автор Хамиш Мехаффи, PhD, постдокторант в лаборатории покойной Эллисон Дупе, MD, PhD.

За 20 лет работы в UCSF Дупе установила систему вокального обучения птиц как модель для изучения роли базальных ганглиев в человеческой речи, тонком моторном обучении и психических заболеваниях.

Молодые самцы зебровых амадин всю жизнь совершенствуют свою брачную песню. Молодые птицы учатся методом проб и ошибок, чтобы точно воспроизвести песню отца, но взрослые особи могут изменять фразы, чтобы произвести впечатление на потенциальных партнерш или скорректировать технику из-за роста, возраста или травмы.

Предыдущие исследования Дупе показали, что птичий эквивалент базальных ганглиев играет ключевую роль в творческом экспериментировании, необходимом для обучения песне. Блокировка выхода из базальных ганглиев мешает молодым птицам развить зрелую песню, а взрослые теряют способность корректировать и поддерживать свою песню на основе опыта.

Также было обнаружено, что "двигатель креативности" базальных ганглиев более активен, когда птицы практикуют песни в одиночестве, внося вариативность в моторную цепь песни, чтобы позволить птицам пробовать новые ноты и модифицированные мотивы. Однако при появлении самки эта креативная цепь отключается, позволяя птице стабильно воспроизводить лучшую, проверенную версию своей песни. Базальные ганглии также необходимы для закрепления любых изменений в новой части песни, которую птица отрабатывает.

Исследователей озадачивал непредсказуемый характер сигналов базальных ганглиев, которые, в отличие от точно синхронизированных сигналов "дирижерского" региона мозга, часто были "не в такт".

"С одной стороны, если нет вариативности, нет и обучения методом проб и ошибок. Если птица не может исследовать, она никогда не найдет лучшую версию своей песни. С другой стороны, эта вариативность многих сбивала с толку, потому что если птице нужно изменить высоту конкретной ноты, сигнал должен быть очень точно синхронизирован", — сказал Мехаффи.

Новая работа, опубликованная 3 августа 2015 года в журнале Nature Neuroscience, впервые детально исследует правила обучения на уровне синапсов, которые могут позволить вариативным сигналам базальных ганглиев модифицировать моторный план, управляющий песней птицы.

Используя срезы мозга, содержащие область, где сходятся входы от базальных ганглиев и моторного пути песни, Мехаффи электрически стимулировал эти два пути. Он показал, что относительное время их сигналов — одного для "креативности", а другого, кодирующего установившуюся песню — может приводить к синаптическим изменениям. Эти изменения либо временно передают управление базальным ганглиям, либо возвращают его выученному моторному плану.

Дальнейшие исследования на живых животных показали, что тот же синаптический механизм обучения может быть необходим взрослым птицам для изменения песен на основе опыта. Ученые подвергали птиц раздражающему звуковому сигналу, связанному с высотой определенной ноты в их песне. Обычно птицы быстро учатся изменять эту ноту, чтобы избежать звука, но когда птицам давали препарат, блокирующий этот зависящий от времени механизм пластичности, они теряли способность изменять свою песню.

Мехаффи связывает успех экспериментов с глубоким знанием Дупе поведения и неврологии певчих птиц. Эксперименты зависели от использования паттернов электрической стимуляции, имитирующих естественные паттерны активности, наблюдаемые в мозге птицы во время пения.

Мехаффи и другие сотрудники лаборатории Дупе теперь работают над тем, чтобы понять, как специфические изменения песни представлены на синаптическом уровне и как птица интегрирует эти изменения в свою стандартную песню. Понимание этих вопросов потенциально может научить исследователей тому, как базальные ганглии и кора взаимодействуют у людей для обеспечения тонкого моторного обучения и как это взаимодействие нарушается при заболеваниях. Препараты первого поколения для лечения расстройств базальных ганглиев в основном заключались в их полном отключении, сказал Мехаффи.

"Когда система работает неправильно, лучше обойтись без нее, и это касается как птиц, так и людей. Но было бы хорошо достичь точки, где мы понимаем систему достаточно, чтобы начать исправлять то, что сломано", — сказал он.