Ученые из Медицинского центра Университета Дьюка определили нейроны в мозгу певчей птицы, которые передают слуховой отклик, необходимый для разучивания песни.
Их исследования закладывают основу для улучшения человеческой речи, например, у людей, слуховые нервы которых повреждены и которые должны научиться говорить, не слыша собственных голосов.
"Эта работа является первым исследованием, направленным на выявление в мозге пути слуховой обратной связи, который используется для наученного управления голосом," сказал Ричард Муни, доктор философии.D., Герцог, профессор нейробиологии и старший автор исследования. Исследователи также разработали элегантный способ осторожного изменения активности этих нейронов, чтобы доказать, что они взаимодействуют с моторными сетями, контролирующими пение.
Исследование, поддержанное грантом NIH, было опубликовано онлайн в Neuron в январе. 13.
Обучение вокалу – непростой процесс. "Одна из проблем, с которой мозг сталкивается при изучении нового поведения, заключается в том, что он получает обратную связь о производительности только через десятки или даже сотни миллисекунд после того, как сгенерировал моторные команды, управляющие этой производительностью," Муни сказал. "Задача доведена до крайности, если мозг должен использовать эту сенсорную информацию ретроспективно и по-прежнему вносить поправки с точностью до миллисекунды, как это делают люди и певчие птицы, когда они учатся вокализировать."
По словам Муни, проблемы, которые решают молодые птицы, разучивая песню у птицы-наставника, аналогичны проблемам, которые решают люди, когда мы учимся говорить, а птицы и люди используют похожие нейронные системы для достижения этого решения.
Главный вопрос этого исследования заключался в том, как мозг кодирует и использует слуховую обратную связь для формирования вокальных характеристик у молодых птиц, которые учатся петь.
В кропотливом эксперименте ведущий автор Huimeng Lei, Ph.D., использовал тонкие микроэлектроды для обнаружения нейронов, которые становятся активными в мозгу ученика, когда он слышит свою собственную песню, – сказал Муни. "Это была очень сложная процедура, которая должна была быть очень точной. Хуэймену удалось заставить записи работать правильно, чтобы найти нейроны, воспринимающие обратную связь."
Как только ученые узнали, что они нашли правильный набор нейронов, они пропустили короткий импульс электричества через имплантированные электроды, чтобы изменить нейронную активность, связанную с одной из нот, которую ученик учился петь.
"Мы думаем, что стимуляция изменяет то, что воспринимает птица-ученик, и именно это измененное восприятие приводит к искажению ноты (когда она повторяет песню)," Муни сказал. "Напротив, если бы мы стимулировали непосредственно двигательную сеть (которая производит ноту), мы немедленно вызываем искажение целевого слога песни."
Поскольку птицы поют свою песню с точностью до миллисекунды, ученые смогли определить, насколько точно мозг научился приписывать воспринимаемую ошибку той части песни, где произошла стимуляция. "Акустические характеристики стимулированной области песни со временем искажались," Муни сказал.
Появились три интересных вывода. Во-первых, искажение пения птицы задерживалось и проявлялось где-то от нескольких часов до недель после того, как птица впервые услышала импульс электрического шума в своем пении.
Во-вторых, искажение всегда происходило в одном и том же месте в пении птицы ученика. Это означает, что искажение было точным во времени и возникло в той точке песни, где электрическая "шум" был представлен. "Мозг каким-то образом учится связывать стимуляцию с определенной частью выступления, а затем соответственно изменять производительность," Муни сказал.
В-третьих, нарушая нейронную активность на разных этапах процесса обучения, они определили, что эффекты искажения сильно зависят от возраста. Целевая часть песни очень быстро деградировала у молодых птиц, иногда в течение часа. Старые птицы, которые столкнулись с электрическими помехами, некоторое время продолжали правильно петь, но постепенно их пение ухудшалось в течение нескольких недель.
"Поскольку мы напрямую вводим электрический импульс в путь слуховой обратной связи, изменяющаяся способность мозга реагировать на воспринимаемую ошибку в работе, вероятно, отражает изменения в самой двигательной сети," Муни сказал.
Точность песни жизненно важна для певчих птиц, потому что самки выбирают себе пару, частично основываясь на временной точности, с которой они поют. Временная точность также очень важна в человеческой речи, потому что акустические характеристики двух речевых звуков могут различаться на уровне миллисекунд.
Это исследование закладывает основу для ученых по улучшению человеческой речи. Например, люди, слуховые нервы которых повреждены, могут получить пользу, поскольку ученые исследуют, как стимулировать в человеческом мозгу пути слуховой обратной связи, которые важны для обучения речи. По словам Муни, это особенно актуально для детей старшего возраста и взрослых, которые были глухими и которым необходимо выучить речь далеко за пределами основного времени для обучения вокалу.
Это исследование также открывает дверь для изучения того, как мозг сравнивает обратную связь, связанную с производительностью, с сенсорной моделью, которая является основой имитации, сказал Муни.
"Подражание – источник большей части человеческой культуры," он отметил. "Поскольку было бы невозможно использовать людей в экспериментах по начальному обучению вокалу, наставники и ученики певчих птиц предоставляют прекрасную заменяющую систему, чтобы мы могли подробно изучить механизмы мозга, лежащие в основе этого относительно сложного типа обучения."