Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско показали, как бенгальский зяблик, одомашненная певчая птица, может научиться настраивать свою песню определенным образом в зависимости от контекста, что может пролить свет на то, как человеческий мозг учится применять различные правила в зависимости от контекста. ситуацию и имеют значение для понимания человеческого языка и двигательных нарушений.
Исследование, опубликованное 16 ноября 2017 года в журнале Neuron, показало, что зяблики переключаются с обычных на конкретные версии своих песен в зависимости от ситуации, в которой они находятся. Более того, исследователи определили две отдельные области в мозгу птиц, отвечающие за этот процесс обучения: одна область, которая кодирует обобщенные правила для воспроизведения песен по умолчанию, и другая область, которая может переопределить путь по умолчанию для воспроизведения разных звуков в разных контекстах.
Это очень похоже на то, как ваш собственный мозг научился в младенчестве стандартному движению руки, чтобы дотянуться до объекта и схватить его, но с тех пор он также научился регулировать силу вашей руки и захват вашей руки в зависимости от ситуации - если, например, вы берете полную чашку, а не пустую.
«Мы хотели понять, как мозг уравновешивает необходимость обобщать изучение движений во многих контекстах с необходимостью производить специализированные движения в конкретных контекстах», - сказал Лукас Тиан, аспирант лаборатории Брейнарда в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. ведущий автор исследования. «Эта тенденция была обнаружена у людей во время двигательной и речевой адаптации, но нейронные механизмы, опосредующие этот баланс, неизвестны. Певчие птицы учатся петь почти так же, как люди учатся говорить, поэтому мы подумали, что певчие птицы могут стать хорошей моделью для изучения этого процесса».
Зяблики учатся подстраивать песню под контекст
Нейробиологи, такие как Майкл Брейнард из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, доктор философии, профессор физиологии и психологии, член Института неврологии им. человеческий мозг учится сложному поведению, такому как язык, и тому, как одни и те же системы мозга разлагаются при двигательных заболеваниях, таких как болезнь Паркинсона.
Подобно человеческому языку, пение вьюрков состоит из последовательностей «слогов» - звуковых единиц, похожих на музыкальные аккорды, - и сначала молодые птицы учат их, подражая взрослым «наставникам». Став взрослыми, зяблики поют, чтобы привлечь партнеров, и все еще могут научиться корректировать свои песни в зависимости от контекста, например, от того, выступают ли они или тренируются. Лаборатория Брейнарда ранее показала, где в мозгу зяблики используют обратную связь для улучшения своих песен, но до сих пор неясно, как зяблики применяют эти уроки в конкретных ситуациях..
В новом исследовании Тиан и Брейнард хотели узнать, могут ли птицы научиться выборочно изменять высоту определенных слогов в своих песнях в зависимости от контекста. Чтобы обучить зябликов, исследователи воспроизводили всплеск белого шума, когда птицы пели определенный слог за пределами диапазона высоты тона, установленного исследователями. Птицы быстро научились изменять высоту звука этого слога в своей песне, чтобы избежать неприятного звука.
Обучение происходило только тогда, когда зяблики пели целевой слог в определенной последовательности песен. Однако исследователи заметили, что птицы также начали корректировать высоту звука этого слога, когда он также встречался в разных частях их песни, предполагая, что они обобщили новое правило в разных контекстах. Например, птиц можно научить повышать высоту звука слога C в последовательности A-B-C-D, но они также могут начать петь более высокий слог C, когда они также поют D-B-C-A. Насколько птицы изменяли свой тон в новых условиях, зависело от того, насколько последовательность была похожа на оригинальную песню.
Чтобы понять, могут ли птицы выучить разные правила для разных ситуаций, исследователи предложили вьюркам модифицировать один и тот же слог в противоположных направлениях в зависимости от контекста. Примечательно, что птицы научились различать контексты и соответственно варьировали свои реакции. Например, они научились петь ноту C более низким тоном, когда слогу предшествовала B, и более высоким тоном, когда ему предшествовала A.
«Этот тип сложной адаптации обучения к различным контекстам очень похож на человеческую речь», - сказал Брейнард. «Трудно изучать, что происходит в человеческом мозгу во время этого процесса, но мы можем задаться вопросом, как это контекстно-зависимое обучение происходит у птиц. Нервные структуры птиц и млекопитающих достаточно сходны, чтобы мы могли думать, что то, что мы учиться у птицы может применяться в более широком смысле."
Две области мозга контролируют обучение на основе правил и в зависимости от контекста
У зяблика есть две области мозга, которые имеют решающее значение для обучения и производства песен: двигательный путь песни, который необходим для воспроизведения звуков, и путь переднего мозга (AFP), схема исполнительной функции, которая участвует в изучении и изменении песен.
Химически блокируя AFP, пока птицы учились изменять свой тон, исследователи смогли проанализировать специфические функции двух областей во время обучения. Они обнаружили, что активация в AFP была необходима вьюркам, чтобы научиться изменять свой тон в определенном контексте. AFP распознавал, когда целевой слог встречается в правильной последовательности, и сообщал моторному пути, что он должен изменить высоту звука слога. Затем без специальных инструкций двигательный путь начал включать и обобщать это правило на другие контексты, иногда регулируя высоту слога для других песен. Чем больше обратной связи получает двигательный путь для изменения высоты тона, тем надежнее он делает это в разных контекстах.
Однако, когда птицы научились изменять свой тон в двух направлениях для двух разных контекстов, моторный путь не мог вывести и обобщить единственное правило. Следовательно, AFP должен был оставаться активным, чтобы сообщить двигательному пути, когда и как изменить высоту тона.
"Этот путь песни намного умнее и гибче, чем мы изначально думали", - сказал Тиан. «Это не просто обязательное произношение слога. У него есть доступ к информации о том, как изменить задачу в зависимости от более широкого контекста».