Молодая певчая птица поет сложную мелодию со своего насеста в клетке, пытаясь повторить брачную песню, которую так много раз слышал от своего отца.
Группа ученых следит за расположенным поблизости экраном, показывающим ритмическую активность клеток головного мозга птицы, – это очень подробная нейронная иллюстрация того, как молодой самец зебрового зяблика вспоминает воспоминания о песне.
Проще говоря, ученые наблюдают, а иногда и помогают мозгу учиться.
Используя широкий спектр методов, которые обычно не используются в одной лаборатории, Питер О’Доннелл-младший. Brain Institute проводит исследование, финансируемое фирменной исследовательской программой Белого дома BRAIN Initiative, чтобы понять, как мозг функционирует во время обучения вокалу. Картируя нейронные процессы, участвующие в обучении птиц песням спаривания, ученые надеются когда-нибудь использовать эти знания для нацеливания на определенные гены, нарушающие речь у пациентов с аутизмом или другими нарушениями нервного развития.
"Зебра-зяблики – отличная модельная система, потому что они изучают одну вокализацию в молодости и совершенствуют ее в подростковом возрасте. Наша лаборатория изучает нейронные цепи, которые позволяют им научиться этому поведению в молодом возрасте и умело поддерживать его во взрослом возрасте," сказал доктор. Тодд Робертс, курирующий лабораторию певчих птиц и доцент кафедры нейробиологии в Институте мозга О’Доннелла в Юго-западном медицинском центре Юго-Западного Медицинского центра.
Другой подход
Доктор. Исследования Робертса представляют собой необычный и важный элемент широкой миссии понимания человеческого мозга.
Хотя во многих исследованиях на животных используются мыши, у которых почти такой же набор генов, что и у людей, необходим другой подход к изучению вокального обучения, потому что большинство млекопитающих не учатся вокализировать посредством имитации, как это делают люди. Певчие птицы более эффективны, потому что они разделяют многие стадии нашего вокального развития: в раннем возрасте зебровый зяблик слышит пение родителей, в конечном итоге запоминает ноты и, попрактиковавшись десятки тысяч раз, учится воспроизводить это поведение.
Но как происходит это обучение? И что не так в мозгу, когда птицы не могут выучить песню? Доктор. Робертс использует новейшие достижения в области визуализации мозга и оптогенетики, чтобы выяснить это.
Контроль над мозгом
Инициатива BRAIN финансирует исследование на сумму 100 000 долларов, в котором доктор. Робертс применяет несколько методов, чтобы изучить, как нейроны перестраиваются во время обучения вокалу.
Основная часть этих усилий включает объединение оптогенетических датчиков и датчиков клеточной активности, относительно новых научных инструментов, позволяющих ученым отслеживать и контролировать активность мозга с помощью света. Активируя светочувствительные белки у зебровых вьюрков, доктор. Команда Робертса освещает группы нейронов, чтобы узнать, как они функционируют во время обучения вокалу и вокального производства.
Ученые также могут использовать оптогенетические белки для управления цепями в глубине мозга, по сути, помогая птице выучить определенные части песни, которую разделяет отец. Например, когда зебра-зяблик бьет неправильную ноту, компьютер может активировать определенные нейроны в его мозгу, чтобы настроить исполнение песни в будущем.
Доктор. Исследования Робертса работают над объединением этих методов с несколькими методами визуализации для одновременного наблюдения и контроля нервной активности. Среди методов визуализации – двухфотонная микроскопия, которая позволяет ученым заглядывать в мозг птицы и видеть нейроны в действии во время разучивания песни.
"Мы продвигаем оптогенетику и визуализацию, насколько это возможно," сказал доктор. Робертс, Томас О. Ученый Хикса в области медицинских исследований.
Человеческие параллели
Мост между исследованиями вьюрков-зебр и новыми методами лечения неврологических состояний обнадеживает, но долгий – один из многих путей, по которым ученые идут, чтобы понять, как работает мозг.
Тем не менее, доктор. Робертс оптимистично настроен, что его лаборатория может внести значительный вклад в эти усилия, отмечая множество параллелей в генах людей и певчих птиц, которые участвуют в обучении вокалу. У обоих есть общие гены семейства FoxP, например, которые играют важную роль в речи, пении птиц и нервном развитии.
Часть доктора. Исследование Робертса включает в себя деактивацию и повторную активацию типа этого гена FoxP, который позволяет птице разучивать песни. В частности, он надеется получить представление о том, как эффективно вокальное обучение может быть восстановлено после нарушений в развитии в обучении песням.
"Цель состоит в том, чтобы в конечном итоге использовать это исследование для разработки стратегий лечения людей с нарушениями речи," он сказал. "Когда лучше всего вмешиваться, можно ли это сделать в более позднем возрасте или в начале жизни есть чувствительный период, который необходимо учитывать?"
Ответить на такие вопросы не представлялось возможным даже несколько лет назад. Робертс сказал. Но недавние технологические достижения и повышение осведомленности, к которым привела инициатива BRAIN, расширили возможности.
"Возросло понимание нейронных цепей, лежащих в основе обучения сложному коммуникативному поведению," Доктор. Робертс сказал. "Певчая птица может по-новому взглянуть на то, как устроен мозг и как осуществляется этот тип обучения."