Dodano: 07 październik 2019r.

Naukowcy „wszczepili” ptakom wspomnienia, by uczyć je śpiewu

Poprzez selektywną aktywację określonych neuronów w mózgach młodych zeberek timorskich, naukowcom udało się „wszczepić” fałszywe wspomnienia i fragmenty melodii, których ptaki nigdy wcześniej nie słyszały.

 

Młode ptaki uczą się śpiewu od ojców, poprzez naśladowanie ich melodii. Podobnie rzecz ma się w przypadku ludzkich dzieci. I choć są to kluczowe kroki w naszym rozwoju intelektualnym, wiele elementów uczenia się głosu pozostaje tajemnicą. W jaki sposób mózg koduje wspomnienia potrzebne do naśladowania mowy naszych rodziców? Czy można interweniować, gdy proces się nie powiedzie?

W nowych badaniach ptasiego śpiewu naukowcy z University of Teksas wykazali, że można „wszczepić” wspomnienia do mózgu, aby uczyć wokalizacji - bez żadnych lekcji pobieranych od rodzica. Badania miało na celu zrozumienie tego, w jaki sposób młode ptaki i być może małe dzieci, uczą się języka. Dostarczyły istotnych wskazówek na temat tego, gdzie w ludzkim mózgu szukać, aby lepiej zrozumieć autyzm i inne warunki wpływające na język.

 

Wyniki badań ukazały się na łamach pisma „Science”.

- Po raz pierwszy potwierdziliśmy obszary mózgu, które kodują wspomnienia o celach behawioralnych. Te wspomnienia prowadzą nas, gdy chcemy naśladować cokolwiek, od mowy po naukę gry na fortepianie - powiedział dr Todd Roberts z University of Teksas. - Odkrycia pozwoliły nam zaszczepić wspomnienia ptakom i pokierować nauką ich pieśni – dodał.

Naukowcy wykorzystali optogenetykę, metodę, dzięki której można kontrolować aktywność neuronów przy pomocy światła. W badaniach uczeni wykorzystali zeberki timorskie, bo dzielą one z ludźmi wiele etapów rozwoju głosu. We wczesnym okresie życia, ptaki te słyszą śpiew ojca, który ostatecznie zapamiętują. Po tysiącach prób naśladowania treli rodzica w końcu im się to udaje.

Kontrolując interakcję między dwoma regionami mózgu, zespół dr. Robertsa zakodował młodym zeberkom timorskim melodie, których te nie usłyszały od swoich ojców. Czas, przez jaki neurony pozostawały aktywne, odpowiadał długości nut w melodii, której nauczyły się ptaki. Im krótsza była ekspozycja na światło, tym krótszy dźwięk wydawały ptaki.

- Nie uczymy ptaka wszystkiego, co powinien wiedzieć, tylko czas trwania określonej nuty w pieśni - powiedział dr Roberts. - Dwa regiony mózgu, które przetestowaliśmy w tym badaniu, stanowią tylko jeden element układanki – dodał.

Odkrycie jest godne uwagi, ponieważ otwiera nowe możliwości badań w celu zidentyfikowania większej liczby obwodów mózgu, które wpływają na inne aspekty wokalizacji, takie jak wysokość i kolejność każdego dźwięku.

Laboratorium Robertsa specjalizuje się w dokumentowaniu funkcjonowania mózgu podczas uczenia się głosu. Dzięki mapowaniu procesów neuronalnych zachodzących w trakcie uczenia się przez ptaki pieśni, naukowcy mają nadzieję poznać określone geny mowy, które są zaburzone u pacjentów z autyzmem lub innymi zaburzeniami neurorozwojowymi. Wcześniej zespół dr Robertsa zidentyfikował sieć neuronów, która odgrywa istotną rolę w uczeniu się wokalizacji poprzez wspomaganie komunikacji między motorycznymi a słuchowymi obszarami mózgu.

Nowe odkrycia otwierają drogę do ustalenia, jak powstają wspomnienia o celach behawioralnych i jak jest ich rola w uczeniu się wokalizacji.- Trudno było badać tego rodzaju wspomnienia w laboratorium, ponieważ nie wiedzieliśmy, gdzie są zakodowane - powiedział dr Roberts.

Jego zespół znalazł niektóre odpowiedzi, testując połączenia między sensorycznymi obszarami ruchowymi mózgu. Naukowcy wykorzystali optogenetykę do manipulowania aktywnością neuronów w regionie mózgu NIf i do kontroli informacji przesyłanych do innego rejonu mózgu - HVC, który jest zaangażowany w uczenie się na podstawie doświadczeń słuchowych.

Oprócz udokumentowania roli NIf w tworzeniu wspomnień specyficznych dla nuty czy sylaby, zespół dr Robertsa odkrył, że wspomnienia te były przechowywane gdzie indziej w mózgu po ich utworzeniu. Naukowcy wykazali to przerywając komunikację między NIf i HVC w różnych punktach procesu uczenia się. Ptaki, które już nauczyły się pieśni, mogły ją nadal wykonywać, a te, które były w trakcie uczenia się, nie potrafiły jej naśladować po zerwaniu komunikacji neuronowej.

Ludzki mózg i ścieżki związane z mową i językiem są znacznie bardziej skomplikowane niż u śpiewającego ptaka. Ale nasze badania dostarczają mocnych wskazówek, gdzie szukać lepszego wglądu w zaburzenia neurorozwojowe – wyjaśnił Roberts.

 

Źródło i fot.: UT Southwestern Medical Center