В мозге волнистых попугайчиков нашли шаблоны для вокализаций

Исследователи из США обнаружили, что активность переднего мозга волнистых попугайчиков отражает спектральные характеристики издаваемых ими звуков — подобно тому, как моторная кора человека кодирует характеристики речи. Это позволяет расширять вокальный репертуар и создавать новые вокализации благодаря уже имеющимся шаблонам. Исследование опубликовано в Nature.

Пока человеческие младенцы учатся говорить, детеныши других животных тоже осваивают видоспецифичные вокализации. Люди обладают исключительной вокальной гибкостью, а вокализации животных чаще всего стереотипны. Впрочем, некоторые птицы тоже способны гибко управлять своими вокализациями, воспроизводить множество разнообразных звуков и даже имитировать человеческую речь. И раз одни животные могут то, что другим недоступно, различия, вероятно, нужно искать в мозге.

Именно так поступили Цзэтянь Ян (Zetian Yang) и Майкл Лонг (Michael Long) из Нью-Йоркского университета. Они исследовали нейронный контроль вокализаций у волнистых попугайчиков (Melopsittacus undulatus) с широким вокальным репертуаром и сравнили его с тем, как это устроено у человека и у зебровых амадин (Taeniopygia guttata). У людей гортанью управляют нейроны двигательной коры, проецирующиеся на ствол мозга. У птиц коры нет, но сигналы их голосовой орган сиринкс также получает от ствола, а ствол — от части переднего мозга под названием аркопаллиум. Амадины полагаются на прочное ядро аркопаллиума (RA), а волнистые попугайчики, по всей видимости, на центральное ядро переднего аркопаллиума (ACC).

Исследователи измерили связанную с вокализациями активность отдельных нейронов АСС у четырех попугайчиков и активность нейронов RA у семи амадин. У попугайчиков отдельные популяции нейронов активировались во время производства звуков со схожей акустической структурой. У амадин все обстояло иначе: даже очень схожие по спектральным характеристикам слоги сопровождались активацией разных нейронов. Таким образом, мозг попугайчиков создавал своего рода нейронные шаблоны, облегчающие кодирование новых звуков, тогда как каждый звук в мозге амадин кодировался по-разному.

Вокализации попугаев состояли из акустически различных элементов — от шумных апериодических звуков до звуков с четкой гармонической структурой и отдельных низкочастотных слогов. Чтобы выяснить, различаются ли нейронные представления этих элементов, ученые присвоили каждому звуку гармонический индекс, и обнаружили, что активация отдельных нейронных ансамблей связана с производством звуков с тем или иным гармоническим индексом.

Затем ученые обнаружили, что нейроны АСС точно кодируют высоту вокализаций. Около половины нейронов активировались сильнее, когда птицы производили звуки определенной частоты. Тогда они обучили модель линейной регрессии декодировать высоту тона по нейронной активности, и ей хватило всего лишь пяти нейронов, каждый из которых был настроен на определенную частоту. Провернуть такое на зебровых амадинах не удалось — активность нейронов RA не была связана с высотой тона их вокализаций.

Исследователи заключили, что отдельные нейронные ансамбли аркопаллиума волнистых попугайчиков посылают конкретные двигательные команды к сиринксу для производства звуков с определенными свойствами. Эти нейронные шаблоны позволяют попугаям производить новые вокальных элементов со схожими спектральными характеристиками. Ученые также отметили, что в моторной коре людей во время говорения происходит нечто похожее, и волнистые попугайчики могут стать моделью для исследования механизмов, связанных с производством речи.

Ранее мы рассказывали о том, что взрослые зебровые амадины могут научиться петь заново, даже если большинство ответственных за пение нейронов необратимо повреждены. Это возможно благодаря тому, что соседние нейроны берут функции утраченных на себя.