Чтобы выучить свою фирменную мелодию, самец певчей птицы методом проб и ошибок имитирует песню своего отца, напевая мелодию снова и снова, сотни раз в день, внося тонкие изменения в высоту нот. Для самца бенгальского зяблика этот строгий тренировочный процесс начинается примерно в возрасте 40 дней и завершается примерно на 90 день, когда он становится половозрелым и готовым использовать свою песню для ухаживания за самками.
Чтобы совершить этот подвиг, мозг зяблика должен получать и обрабатывать большие объемы информации о своих действиях и использовать эти данные для точного управления сложными голосовыми действиями, которые позволяют ему изменять высоту тона и структуру его песни.
Теперь ученые из UCSF показали, что ключевая структура мозга действует как центр обучения, получая информацию из других областей мозга и выясняя, как использовать эту информацию для улучшения своей песни, даже если она напрямую не контролирует действие. Эти идеи могут помочь ученым найти новые способы лечения неврологических расстройств, ухудшающих движение, таких как болезнь Хантингтона и болезнь Паркинсона.
Об исследовании сообщает журнал Nature 20 мая 2012 года как о продвинутой онлайн-публикации, а позже он появится в печатном выпуске журнала.
Многолетние исследования, проведенные в лаборатории Майкла Брейнарда, доктора философии, доцента физиологии UCSF, показали, что взрослые зяблики могут отслеживать небольшие различия между отдельными особями "слоги," или ноты, они играют и слышат, и производят мысленные вычисления, которые позволяют им изменять высоту звука.
Для предыдущих экспериментов Брейнард и его коллеги разработали тренировочный процесс, который побуждал взрослых зябликов откалибровать свою песню. Они создали компьютерную программу, которая могла распознавать высоту каждого слога, который пела птица. Компьютер также издал звук, который не понравился птицам – своего рода белый шум – в тот самый момент, когда они произнесли определенную ноту. В течение нескольких часов зяблики научились изменять высоту этого слога, чтобы не слышать неприятный звук.
В новом исследовании нейробиологи из UCSF использовали свою технологию, чтобы изучить, как мозг контролирует процесс обучения. Преобладающая теория предполагает, что новое обучение контролируется "умный" структура мозга, называемая базальными ганглиями, кластером взаимосвязанных областей мозга, участвующих в моторном контроле и обучении.
"Это первое место, где мозг соединяет два и два," сказал Джонатан Чарльзуорт, недавний выпускник программы доктора философии UCSF по неврологии и первый автор новой статьи. "Если удалить базальные ганглии у птицы, которая еще не научилась петь, она никогда не научится этому."
Теория предполагает, что после освоения базового, часто повторяемого навыка, такого как набор текста, пение той же песни или бросок баскетбольного мяча с линии штрафного броска, контроль над этой деятельностью осуществляется двигательными путями, частью нервной системы. который передает сигналы от мозга к мышцам. Но для изменения основного распорядка – чтобы игрок стрелял из другого места на баскетбольной площадке или птица пела на другом поле – базальные ганглии должны снова включиться, обеспечивая обратную связь, позволяющую учиться на основе проб и ошибок. , теория предполагает.
Осталось неясным, что делает базальные ганглии такими? "умный" и позволяет им поддерживать такое детальное обучение методом проб и ошибок. Было ли это связано с их структурой? Или они получали информацию откуда-то?
Ученые стремились ответить на этот вопрос, заблокировав выходную цепь ключевых базальных ганглиев, обучая самцов зябликов изменять свою песню с помощью взрывов белого шума. Пока базальные ганглии не могли посылать сигналы по моторным путям, зяблики не меняли мелодию и не проявляли признаков обучения. Но когда команда Брейнарда перестала блокировать базальные ганглии, произошло нечто удивительное: зяблики сразу изменили высоту своей песни, без дополнительной практики.
"Как будто гольфист вышел на тренировочное поле и был ужасен, весь день бил мяч в деревья и не становился лучше," сказал Чарльзуорт. "Затем, в конце дня, вы нажимаете переключатель, и внезапно вы попадаете на фервей, как будто вы Тайгер Вудс."
По словам Брейнарда, как правило, можно ожидать, что такое улучшение навыков требует времени, поскольку базальные ганглии оценивают информацию, вносят изменения и получают новую обратную связь.
"Сюрприз здесь в том, что базальные ганглии могут обращать внимание, наблюдать, что делают другие двигательные структуры, и получать информацию, даже если они не участвуют в двигательном контроле," Брейнард сказал. "Они тайно узнали, как повысить эффективность навыков, и это объясняет, как им это удалось."
Эти данные свидетельствуют о том, что базальные ганглии "сообразительность" в значительной степени связано с постоянным потоком информации, которую они получают о командах других двигательных структур. Он также изображает базальные ганглии как гораздо более универсальные, чем считалось ранее, способные научиться откалибровать мелкую моторику, действуя как специализированный центр, который получает информацию от различных частей мозга и реагирует на эту информацию новыми директивами.
Полученные данные также подтверждают мнение о том, что проблемы со способностью цепей базальных ганглиев получать информацию и учиться на ней могут способствовать запуску двигательных расстройств, которые являются симптомами болезней Хантингтона и Паркинсона, сказал Брейнард.