Музыка может быть мощной формой самовыражения. Это особенно важно для певчих птиц, таких как зяблики-зебры, которые разучивают песни своих отцов, чтобы ухаживать за товарищами.
До сих пор ученые обычно думали о вокальном развитии птиц с точки зрения того, как один участок мозга усваивает песню. Но новое исследование, проведенное учеными из Пенсильванского университета, исследовало, как зебровые зяблики учат песни, с другой точки зрения. Вместо того, чтобы смотреть, как мозг птицы разучивает песню, они изучали, как одна часть ее мозга, которую они назвали «наставником», обучает другую часть ее мозга, «ученика»."
Исследователи обнаружили, что для эффективного преподавания репетитор должен адаптировать свой стиль преподавания к тому, как ученик лучше всего учится. Исследование под названием «Правила и механизмы эффективного двухэтапного обучения в нейронных цепях» опубликовано сегодня в журнале eLife.
Исследование возглавили Виджай Баласубраманян, профессор физики Школы искусств и наук Университета Пенсильвании, и Тибериу Тесилеану, приглашенный ученый, работающий в Центре выпускников Городского университета Нью-Йорка. Бенс Олвечки, профессор органической и эволюционной биологии Гарвардского университета, также внес свой вклад в исследование.
Процесс обучения птицы можно представить себе как музыкант, разучивающий пьесу на скрипке: после повторения песни снова и снова, пока она не зазвучит правильно, игра становится второй натурой скрипача.
В случае зебровых амадин птица слышит песню, запоминает ее, поет в ответ и продолжает корректировать ее в течение месяца, пока она не зазвучит правильно. Когда птица поет, она учится контролировать свою сиринкс, голосовой орган животного и его дыхательные мышцы.
"Они начинают бормотать, а затем постепенно превращаются в трели и фразы и звучат как песня", - сказал Баласубраманян.
Ключ к этому обучению заключается в том, что синапсы в мозгу усиливаются или ослабевают в зависимости от того, что человек воспринимает в мире. Большое внимание в этой области было уделено правилам изучения, тому, как эти синапсы меняют силу. Примером этого является правило Хебба, которое гласит, что два нейрона, возбуждающиеся в одно и то же время, усиливают их синапс.
Но часто, сказал Баласубраманян, одна часть мозга должна научить другую часть мозга, как что-то делать. Поэтому, когда студенческая часть мозга учится петь песню, часть наставника должна сказать ей, была ли песня, которую она создала, хорошей или плохой, и дать инструкции, как ее улучшить. Исследователи решили сосредоточиться на этих правилах обучения.
Есть много разных стилей обучения, которые могут быть у ученика, играющего на скрипке. Некоторые люди учатся на слух; другие визуалы. В зависимости от стиля обучения разные виды обучения могут быть более или менее эффективными. Исследователи обнаружили, что то же самое верно и для мозга певчих птиц: основываясь на правилах синаптической пластичности, которые используются нейронами, различные типы правил обучения в мозгу будут более эффективными.
«В зависимости от того, как нейрон меняет силу своих связей, - сказал Баласубраманян, - обучающий сигнал, поступающий из другого места, должен быть адаптирован к области мозга, которая пытается учиться, таким образом, чтобы помочь В этой статье мы разработали хорошие правила обучения, или как учитель должен приспосабливаться к ученику, чтобы научить этому хорошо, и использовали их, чтобы попытаться сделать некоторые прогнозы о том, как обучение будет работать в системе обучения песням. птица."
Он сказал, что в некоторых ситуациях учитель должен исправлять ошибки ученика сразу же по мере их возникновения. В других случаях учитель не должен исправлять вещи мгновенно, а должен внимательно следить за тем, хорошо ли учится ученик, и корректировать общую успеваемость.
«Существуют различные способы отправки корректирующих сигналов в зависимости от характера правила обучения, используемого учеником», - сказал Баласубраманян. «Если вы не сопоставите его, схема обучения в этой части мозга будет работать очень плохо».
Баласубраманян и Тесилеану использовали данные, собранные Олвечки из записей нейронов в различных областях мозга птиц: области ученика RA, области учителя LMAN и области «проводника» HVC, которая подсчитывает удары для птицы.. Они использовали эти данные, чтобы разработать общую математическую структуру, которая применима к этому набору данных и, возможно, к другим.
Исследователи пытались выяснить, как следует адаптировать учебник для ученика и понять систему на разных уровнях.
«Моделирование мозга или любой другой системы лучше всего выполнять в нескольких масштабах», - сказал Тесилеану. «Если вы хотите описать, например, теннисную ракетку, ударяющую по мячу, вы не будете просто изучать ее в масштабе атомов и квантовой механики. выясните, что происходит; возможно, вам захочется понять разные уровни иерархии».
Исследователи надеются обдумать идею совместного обучения и обучения в мозге и корковых сетях млекопитающих, что позволяет изучать двигательные функции. Обучение, сказал Баласубраманян, касается не только ученика. В ней участвует и учитель. Важно понимать роль обеих этих областей мозга.
«На протяжении веков структуры мозга адаптировались друг к другу, чтобы выполнять функции», - сказал он. «Я подозреваю, что это просто тот случай, когда области мозга приспособлены для отправки сообщений друг другу таким образом, чтобы они работали хорошо. Я думаю, что это новая ручка или рычаг для исследования, чтобы думать об этом: как область мозга наставника должна структурировать свои сигналы, чтобы область ученика могла извлечь из сигнала максимальную пользу, учитывая ее ограничения и ее правило обучения».
Исследование финансировалось Фондом Шварца и Национальным научным фондом.