Зебровые амадины заново научились петь после необратимого повреждения нейронов

Ученые из США заблокировали активность большей части возбуждающих нейронов, которые участвуют в пении зебровых амадин, что привело к серьезному искажению песни. Однако спустя две недели песни птиц восстановились, даже когда они не тренировались. Восстановление сопровождалось усилением возбуждающего воздействия на соседние неповрежденные нейроны в той же области мозга. Результаты опубликованы в Nature Neuroscience.

Самцы зебровых амадин (род Taeniopygia) всю жизнь поют одну и ту же песню. Правда, это умение приходит к ним не сразу — птенцы слушают, как поет их отец, и спустя какое-то время начинают петь ту же песню сами. Ранние исследования показали, что повреждение верхнего вокального центра (HVC) необратимо блокирует производство песен. Частичные поражения HVC приводят к деградации песни, но спустя какое-то время она восстанавливается. Такому восстановлению могут способствовать различные механизмы нейропластичности и тренировки. Недавнее исследование показало, что если амадинам с неповрежденным мозгом не давать петь всего неделю, их песни становятся хуже и меньше нравятся самкам.

Бо Ван (Bo Wang) с коллегами из Калифорнийского технологического института и Вашингтонского университета провел исследование со взрослыми самцами зебровых амадин, чтобы выяснить, как именно нейропластичность способствует восстановлению песни после необратимого повреждения большинства нейронов HVC. Чтобы нарушить работу этих нейронов, в них вирусно экспрессировали либо потенциал-зависимый ионный канал NaChBac, либо тетанотоксин (TeNT) — нейротоксин, продуцируемый столбнячной палочкой. Последний не изменяет электрическую активность нейронов, но не дает им взаимодействовать с нижележащими клетками. Экспрессия TeNT в нейронах HVC полностью устраняла возбуждающий импульс, который они отправляли на тормозные интернейроны HVC, и дальше сигнал не шел.

В обоих случаях после инъекций птицы начинали петь хуже: их песни не были похожи на исходные, слоги становились короче и слабее, и менялось их количество в мотивах. Примерно на восьмой день после инъекции структура песен начинала восстанавливаться, и уже к пятнадцатому дню они звучали почти как прежде. На десятый день ученые наблюдали самую большую изменчивость песен от исполнения к исполнению — к изначальному уровню она вернулась примерно через 20–25 дней. При этом активность нейронов, в которых экспрессировали канал или токсин, не восстановилась, то есть сработали какие-то компенсаторные механизмы.

Чтобы выяснить, какую роль тренировки играют в восстановлении, исследователи экспрессировали TeNT в нейронах HVC другой группы амадин. С третьего по тринадцатый день с момента инъекции (после того, как песни птиц деградировали) им не давали петь. Для этого ученые надевали на амадин тканевые жилеты, к которым крепили груз массой 20–40 грамм — он притягивал птиц к земле, и они не могли принять певческую позу, но могли передвигаться, пить и есть. Раз в 2–3 дня амадинам позволяли несколько исполнений. На тринадцатый день амадинам снова разрешали петь — и уже тогда некоторые мотивы из песен были похожи на исходные: акустические показатели восстановились примерно на 56 процентов. К пятнадцатому дню песни почти не отличались от исходных — как и в группах птиц, которые тренировались все дни после инъекции. Таким образом, восстановление песни частично происходило и без тренировок, однако тренировки способствовали ему.

Поскольку большая часть нейронов была не активна, но восстановление песни все равно происходило, исследователи предположили, что оно зависит от изменения работы соседних нейронов HVC, в которых не экспрессировали токсин. Обычно во время исполнения песни активируется лишь небольшая часть нейронов HVC, а остальные молчат. Именно эти молчащие нейроны и могли взять на себя функции поврежденных.

Анализ показал, что эти нейроны не стали более активными, однако уровень возбуждающих сигналов, которые они получали, увеличивался по мере восстановления песни. Это указывало на то, что они образовывали новые синапсы с вышележащими нейронами или усиливали уже существующие. Аналогичные изменения авторы наблюдали и в тех нейронах, в которые вводили вирусный вектор, однако вряд ли это играло какую-то роль, поскольку сигналы от них не доходили до других клеток. Кроме того, сниженное возбуждающее воздействие на нижележащие интернейроны HVC со временем также нормализовалось — по всей видимости, за счет рекрутирования молчащих нейронов. Когда ученые экспрессировали TeNT только в один HVC (в левом или правом полушарии), синаптические изменения были односторонними — и это доказывало, что именно инактивация нейронов приводит к этим изменениям.

Недавно ученые выяснили, что птенцы зебровых амадин лепечут, чтобы запомнить отцовскую песню. Тем особям, которые начинали лепетать раньше других, требовалось меньше времени на запоминание, однако петь они начинали вместе со всеми.