Что пение птиц говорит нам о клетках мозга и обучении

By Валерия Мешкова No comments

зебра зяблик
                Кредит: CC0 Public Domain

Большинство ученых, изучающих мозг, считают, что воспоминания хранятся в сетях синапсов или связей, которые образуются между нейронами. Обучение происходит, когда нейроны формируют новые связи и укрепляют или ослабляют существующие, придавая мозгу так называемую синаптическую пластичность. Однако появляется все больше свидетельств того, что внутренние, встроенные свойства самих клеток, а не только связи между ними, также играют роль в этом процессе.
                                                                                       

В новом исследовании, проведенном нейробиологами из Чикагского университета, используется уникальная модель — замысловатые брачные песни птиц — чтобы показать, как эти внутренние свойства тесно связаны со сложными процессами обучения. Исследование, опубликованное в Nature Communications, может добавить новый уровень сложности для нашего понимания мозга.

«Мы можем напрямую перейти от свойств клеток к поведению животного», — сказал Дэн Марголиаш, доктор философии, нейробиолог и старший автор нового исследования. «Это говорит о том, что не только быстрые изменения в синапсах являются движущей силой обучения и памяти, но также и изменения внутренних свойств клеток».

Зяблики-зебры известны тем, что поют сложные, точные песни, чтобы привлечь женщин. Они стараются каждый раз воспроизводить одну и ту же схему и время записи, и в какой-то степени женщины оценивают пригодность мужчины по точности его песен. Но птицы не рождаются с полным репертуаром песен; они должны выучить и практиковать свои призывы так же, как молодой саксофонист практикует гаммы и основные мелодии, прежде чем перейти к каталогу Джона Колтрейна.

Марголиаш использует это как возможность изучить основную деятельность в мозге, поскольку птицы изучают это сложное поведение. «Певчие птицы замечательны, чтобы учиться самостоятельно, но речь идет не только о певчих птицах. Речь идет о нейробиологии, — сказал он.

Все живые элементы имеют внутреннее электрическое напряжение, которое отличается от напряжения в окружающей их среде. Нейроны особенные, потому что у них есть так называемые потенциалы действия или способность быстро изменять потоки тока внутри и снаружи клетки. Последовательность и время всплесков этих потенциалов действия — это то, из чего состоят информационные нейроны, проходящие через сеть, поэтому они являются важным источником данных для понимания того, как мозг учится.

В новом исследовании Марголиаш и Арий Дау, доктор философии, бывший доктор наук в Университете Чикаго, а ныне доцент Американского университета в Бейруте, Ливан, записали схемы всплесков потенциала действия от нейронов зебры-зяблика на разных этапы развития — взрослые птицы с полностью развитыми композициями и молодые птицы, которые еще учатся.

Нейроны имеют множество каналов и белков, встроенных в их клеточные мембраны, которые открываются и закрываются сложным образом в зависимости от того, сколько тока течет внутрь или наружу. Этот набор механизмов включает в себя внутренние свойства клетки, которые могут изменяться в зависимости от величины и силы токов, протекающих через клеточную мембрану.

Зарегистрировав токи, протекающие через клетки, Марголиаш и Дау изобрели математический способ сравнить, насколько внутренние свойства двух данных птиц соответствуют друг другу. Внутренние свойства одного класса нейронов в данной птице были похожи друг на друга, но они варьировались от птицы к птице. Но когда исследователи сделали аналогичный расчет того, насколько близко их песни напоминали друг друга, они пришли к поразительному выводу.

«Это было великое» Ага! » момент «, сказал Марголиаш. «Когда мы делали этот расчет для птиц, мы обнаружили, что птицы, которые были близки по своим внутренним свойствам, также имели похожие песни».

Эти отношения также поддерживаются разными парами птиц. Взрослые птицы-братья и сестры, которые были выращены одними и теми же родителями и, таким образом, обучались одинаково, имели схожие песни и присущие им свойства клеток. Но молодые птицы, которые еще не усовершенствовали свои песни, были повсюду на карте. Не было четкой связи между внутренними свойствами клеток несовершеннолетних и их песнями, независимо от того, как они были связаны.

Исследователи также смогли показать, как внутренние свойства клеток изменились в ответ на изменения в структуре песни. Использование устройства, которое записывало пение птиц и воспроизводило его с небольшой задержкой, заставляло птиц изменять паттерны своих песен таким образом, чтобы это напоминало заикание у людей. Они сразу же застряли, пытаясь начать петь. В конце концов, такие птицы застряли на определенных нотах или повторяющихся рисунках, которые они не производят в естественной среде.

Интересно, что эта же техника может вызвать заикание и у людей. Если говорящий слушает немного задержанную подачу своего собственного голоса, это заставит его запутаться в словах и повторить слоги. Но для многих людей, которые заикаются, услышав задержанный корм, можно уменьшить заикание.

В течение нескольких часов после прослушивания отсроченной обратной связи, вызывающей заикание, внутренние свойства нейронов также изменились и у этих птиц, что указывает на прямую связь с измененным поведением пения. Марголиаш говорит, что это свидетельствует о биологическом механизме заикания, который может послужить полезной моделью и для человека, учитывая сходство в поведении.

«Конечно, существуют важные когнитивные компоненты заикания, которые у нас еще не было возможности изучить и посмотреть, насколько полезна модель пения птиц, — сказал он, — но на фундаментальном уровне мы можем изучить нейронную основу этого». точное поведение. Наличие животной модели заикания может стать серьезным прорывом. «

Добавить комментарий