Эволюционный концерт: птицы получают кайф от собственного пения: судите сами

В своём кабинете в Дареме нейробиолог Ричард Муни из Университета Дьюка демонстрирует серию изображений мозга зебрового амадина во время пения.

На одном снимке, напоминающем картину в стиле пуантилизма, запечатлены многочисленные попытки молодого самца воспроизвести звуки, аналогичные взрослой особи, способной привлечь партнёра. На другом изображении показаны колебания химических сигналов в системе вознаграждения мозга птицы.

По словам Муни, который занимается изучением пения птиц уже четыре десятилетия, песни этих птиц изначально звучат довольно тихо. Это объясняется тем, что для освоения певческого мастерства требуется много практики.

Он привёл аналогию с теннисом: никто не выходит на корт, чтобы сразу же сыграть матч, достойный Уимблдона, и никто не становится виртуозом за одну ночь, сев за пианино. Точно так же молодые зебровые амадины не сразу начинают издавать характерные для них звуки. Им нужно время, чтобы научиться петь.

Муни отметил, что юные птицы прилагают огромные усилия, чтобы достичь мастерства, и на это уходит около месяца ежедневных тренировок, в ходе которых они могут исполнять до 10 000 попыток в день. Эти молодые птицы продолжают заниматься пением час за часом, даже когда никто не слушает.

Их стремление к совершенству исходит изнутри. Новое исследование, опубликованное 12 марта в журнале Nature, проливает свет на мозговые сигналы, стоящие за этим внутренним стремлением, и имеет важное значение для понимания обучения как такового, а также неврологических расстройств.

Используя современные инструменты и методы, включая достижения в области машинного обучения, Муни и его коллега, профессор Джон Пирсон, начали изучать молекулярные сигналы, которые управляют процессом обучения. В их исследовании молодые самцы зебровых амадинов были помещены в звукоизолированные комнаты, где они могли свободно репетировать свои песни.

Самцы зебровых амадинов обучаются петь ухаживающие песни в раннем возрасте, внимательно слушая своих отцов и запоминая их мелодии. Затем, как и дети, осваивающие речь, они начинают лепетать, постепенно приближаясь к оригиналу. Практикуясь и слушая свои попытки, они учатся воспроизводить нужные ноты и ритмы, соответствующие песне их отца. Обычно птенцам требуется около трёх месяцев после вылупления, чтобы стать опытными певцами.

Муни провёл параллель с записями группы The Beatles, отметив, что они могли делать множество дублей, прежде чем оставались довольны результатом.

Аналогично, данные о пении птиц становятся очень обширными и разнообразными. Для анализа этих данных команда Пирсона разработала модель машинного обучения, которая может отслеживать тысячи исполнений и оценивать каждую попытку. Это позволяет следить за процессом обучения в реальном времени.

Во время обучения команда исследователей также измеряла уровень дофамина, выделяемого в базальных ганглиях птиц, области мозга, ответственной за освоение новых двигательных навыков. Дофамин является важным химическим мессенджером, который передаёт сигналы о обучении, вознаграждении и мотивации.

С помощью крошечных датчиков, созданных из генетически модифицированных белков, которые светятся при высвобождении определённых нейрохимических веществ, исследователи могли отслеживать активность мозга, что невозможно при использовании традиционных методов.

Результаты исследования оказались неожиданными: каждый раз, когда птица тренировалась, уровень дофамина в её мозге повышался, независимо от того, попадала ли она в ноты или нет. Это свидетельствует о том, что любое усилие, затраченное на пение, активирует сигналы в путях вознаграждения мозга. Уровень дофамина увеличивался, когда птицы показывали результаты лучше, чем обычно для своего возраста, и снижался в случае ухудшения результатов.

Цзясюань Ци, первый автор исследования, отметила, что чем лучше птицы справлялись с заданиями, тем больше вырабатывалось дофамина. Известно, что дофамин играет важную роль в процессе обучения на основе внешних поощрений и наказаний. Например, дети учатся, стремясь получить хорошие оценки или избежать наказания, а крысы учатся нажимать на рычаг, чтобы получить еду.

Однако, в отличие от детей или крыс, зебровым амадинам не нужны внешние стимулы, чтобы учиться петь. Поскольку во время тренировок они были одни и не получали обратной связи, результаты исследования показывают, что дофамин выполняет роль внутреннего "компаса", направляющего процесс обучения.

Работа команды учёных помогает объяснить, как происходит обучение даже в отсутствие внешних стимулов. Кроме того, исследователи выяснили, что дофамин — не единственный химический сигнал, необходимый для обучения. Ци смогла доказать, что другой химический посредник, ацетилхолин, способствует высвобождению дофамина в мозге птицы во время пения, обеспечивая дополнительный приток этого вещества.

Когда птицам давали препараты, блокирующие передачу сигналов дофамина или ацетилхолина, они продвигались в обучении медленнее. Муни подчеркнул, что подобные проблемы с передачей сигналов дофамина в базальных ганглиях могут быть связаны с различными заболеваниями, включая болезнь Паркинсона и шизофрению.

По мнению Пирсона, результаты исследования применимы к разным видам. Задействованные области мозга и нейромедиаторы, такие как базальные ганглии, дофамин и ацетилхолин, одинаковы как у мышей, так и у приматов и людей. Это говорит о том, что изучение процесса обучения птиц может помочь исследователям лучше понять, как люди осваивают другие двигательные навыки, такие как речь или игра на музыкальных инструментах.

Уточнения

Пти́цы — группа теплокровных яйцекладущих позвоночных животных, традиционно рассматриваемая в ранге отдельного класса.