Два региона мозга взаимодействуют, помогая зябликам адаптировать пение под ситуацию

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) показали, как домашняя певчая птица — бенгальский зяблик — учится изменять свою песню специфическим образом в зависимости от контекста. Это открытие может пролить свет на то, как человеческий мозг учится применять разные правила в разных ситуациях, и имеет значение для понимания расстройств речи и движений у людей.

Исследование, опубликованное 16 ноября 2017 года в журнале Neuron, показало, что зяблики переключаются с общей на специфическую версию песни в зависимости от ситуации. Более того, учёные идентифицировали две отдельные области в мозге птиц, отвечающие за этот процесс обучения: один регион кодирует обобщённые правила для воспроизведения стандартной песни, а другая область может переопределять этот стандартный путь, чтобы производить разные звуки для разных контекстов.

Зяблики учатся корректировать песню в зависимости от контекста

Песня зяблика, подобно человеческой речи, состоит из последовательностей «слогов» — единиц звука, похожих на музыкальные аккорды. Взрослые птицы могут учиться корректировать свою песню в зависимости от контекста.

В новом исследовании учёные хотели выяснить, могут ли птицы научиться избирательно менять высоту тона (pitch) определённых слогов в зависимости от ситуации. Для обучения зябликам проигрывали белый шум, когда они пели целевой слог вне заданного диапазона высоты тона. Птицы быстро научились смещать высоту этого слога, чтобы избежать неприятного звука.

Обучение происходило только тогда, когда зяблики пели целевой слог в определённой последовательности. Однако птицы также начали корректировать высоту этого слога, когда он появлялся в других частях их песни. Это говорит о том, что они обобщили новое правило для разных контекстов. Например, птиц обучали повышать высоту слога C в последовательности A-B-C-D, но они также начинали петь слог C на более высокой высоте в последовательности D-B-C-A.

Чтобы проверить, могут ли птицы выучить разные правила для разных ситуаций, исследователи поставили задачу изменить один и тот же слог в противоположных направлениях в зависимости от контекста. Птицы научились различать контексты и соответствующим образом варьировать свои реакции. Например, они научились петь слог C на более низкой высоте, когда ему предшествовал B, но на более высокой, когда предшествовал A.

«Этот тип сложной адаптации обучения к разным контекстам очень похож на человеческую речь», — сказал Майкл Брейнард, старший автор исследования.

Две области мозга контролируют обучение на основе правил и контекста

В мозге зяблика есть две ключевые области для обучения и воспроизведения песни:

1. Двигательный путь песни (song motor pathway) — необходим для производства звуков.
2. Передний путь переднего мозга (anterior forebrain pathway, AFP) — схема исполнительных функций, участвующая в обучении и модификации песен.

Химически блокируя AFP во время обучения птиц изменению высоты тона, исследователи смогли разделить функции двух регионов. Они обнаружили, что активность в AFP необходима для обучения изменению высоты тона в специфическом контексте. AFP распознавал, когда целевой слог появлялся в правильной последовательности, и сообщал двигательному пути, что нужно изменить высоту слога.

Без специфических инструкций двигательный путь начинал инкорпорировать и обобщать это правило для других контекстов, иногда корректируя высоту слога и в других песнях. Чем больше обратной связи получал двигательный путь, тем надёжнее он применял правило в разных контекстах.

Однако, когда птицы учились изменять высоту тона в двух направлениях для двух разных контекстов, двигательный путь не мог вывести и обобщить единое правило. Следовательно, AFP должен был оставаться активным, чтобы сообщать двигательному пути, когда и как изменять высоту тона.

«Этот певческий путь намного умнее и гибче, чем мы изначально думали», — сказал Лукас Тиан, ведущий автор исследования. — «Он не просто обязательно производит слог. У него есть доступ к информации о том, как модифицировать задачу в зависимости от более широкого контекста».