Отец держит своего новорожденного, их лица находятся всего в нескольких дюймах друг от друга, и медленно повторяет слоги «да» и «ди». После нескольких месяцев прослушивания этих звуков малыш начинает лепетать, и постепенно «да-да-да» превращается в слово «папа».
Речь изучена.
Это важные шаги в нашем интеллектуальном развитии, однако многие компоненты вокального обучения остаются загадкой. Как мозг кодирует воспоминания, необходимые для имитации речи наших родителей? И могут ли ученые вмешаться, когда процесс пойдет наперекосяк?
Исследователи из UT Southwestern начали отвечать на эти вопросы в новом исследовании певчих птиц, которое показывает, что воспоминания могут быть имплантированы в мозг для обучения вокализации - без каких-либо уроков от родителей. Хотя результаты не имеют непосредственных последствий для лечения пациентов, они дают убедительные подсказки о том, где искать в человеческом мозгу, чтобы лучше понять аутизм и другие состояния, влияющие на речь.
«Впервые мы подтвердили, что области мозга, которые кодируют воспоминания о поведенческих целях - те воспоминания, которые направляют нас, когда мы хотим имитировать что-либо, от речи до обучения игре на фортепиано», - сказал доктор Тодд Робертс, нейробиолог. с Институтом мозга О'Доннелла UT Southwestern. «Находки позволили нам внедрить эти воспоминания в птиц и помочь им научиться петь».
Активация нейронов
В исследовании, опубликованном в журнале Science, рассказывается, как ученые активировали цепь нейронов с помощью оптогенетики - относительно нового инструмента, который использует свет для мониторинга и контроля активности мозга.
Исследователи использовали зебровых зябликов, потому что они разделяют многие человеческие стадии развития голоса: в раннем возрасте птицы слышат, как поют их отцы, и в конечном итоге запоминают ноты. Они учатся воспроизводить поведение после десятков тысяч повторений.
Управляя взаимодействием между двумя областями мозга, команда доктора Робертса закодировала воспоминания у зебровых зябликов, у которых не было опыта обучения их отцов. Птицы использовали эти воспоминания, чтобы выучить слоги своей песни, причем продолжительность каждой ноты соответствовала количеству времени, в течение которого свет поддерживал активность нейронов. Чем короче экспозиция света, тем короче нота.
«Мы не учим птиц всему, что им нужно знать, а только продолжительности слогов в их песне», - сказал доктор Робертс. «Две области мозга, которые мы тестировали в этом исследовании, представляют собой лишь часть головоломки».
Тем не менее, это открытие примечательно тем, что оно открывает новые направления исследований для выявления дополнительных мозговых цепей, влияющих на другие аспекты вокализации, такие как высота и порядок каждого звука.
«Если мы выясним эти другие пути, мы могли бы гипотетически научить птицу петь свою песню без какого-либо взаимодействия со стороны ее отца», - сказал доктор Робертс. «Но мы далеки от того, чтобы сделать это».
Лечение нарушений речи
Открытие является последним в ряду результатов, сделанных в лаборатории Робертса, которая специализируется на документировании того, как мозг функционирует во время обучения вокалу. Сопоставляя нейронные процессы, участвующие в обучении птиц брачным песням, ученые надеются когда-нибудь использовать эти знания для нацеливания на определенные речевые гены, которые нарушены у пациентов с аутизмом или другими нарушениями развития нервной системы.
Среди других недавних проектов команда доктора Робертса определила сеть нейронов, которая играет жизненно важную роль в обучении вокализации, помогая связи между моторными и слуховыми областями мозга. Его лаборатория также ведет текущее исследование, финансируемое федеральной исследовательской программой BRAIN Initiative.
Внедрение воспоминаний
Выводы, описанные в исследовании Science, открывают новые горизонты в установлении того, как формируются воспоминания о поведенческих целях, и их роли в обучении вокализациям.
«Было трудно изучать такие воспоминания в лаборатории, потому что мы не знали, где они закодированы», - сказал доктор Робертс.
Его команда нашла ответы на некоторые из этих вопросов, проверив связи между сенсомоторными областями мозга. В частности, исследователи использовали оптогенетику, чтобы манипулировать активностью нейронов в области мозга NIf и контролировать информацию, которую она отправляет в HVC, другую область мозга, участвующую в обучении на слуховом опыте.
Помимо документирования роли NIF в формировании памяти, специфичной для слогов, команда доктора Робертса обнаружила, что эти воспоминания сохраняются где-то еще в мозгу после их формирования. Ученые продемонстрировали это, прервав связь между NIf и HVC на разных этапах процесса обучения: зебровые вьюрки, у которых уже сформировалась память, все еще могли исполнять песню, в то время как те, кого обучали только после разрыва нейронной связи, не могли копировать песню. песня.
Доктор. Робертс сказал, что его лаборатория будет исследовать другие области мозга, которые передают различную информацию в HVC, в надежде получить более полное представление о том, как формируются дополнительные свойства воспоминаний о поведенческих целях.
«Человеческий мозг и пути, связанные с речью и языком, намного сложнее, чем схема певчей птицы», - сказал доктор Робертс. «Но наше исследование дает убедительные подсказки о том, где искать больше информации о нарушениях развития нервной системы».