Американським ученим вдалося внести інформацію про пісні в мозок молодих зебрових амадин (). Для цього вони за допомогою оптогенетики активували синапси нейронів відділів, що беруть участь у виробництві пісень, тим самим показавши їх важливу роль у первинному формуванні репертуару. Птахи успішно навчилися співати, але елементи пісень, вивчених таким способом, відрізнялися від класично формованих при соціальному або індивідуальному навчанні, а їх тривалість повторювала використовувані при стимуляції імпульси. Роботу опубліковано в журналі.
Головний спосіб комунікації багатьох видів птахів - спів: за допомогою нього вони залучають потенційних партнерів, тим самим забезпечуючи успіх статевого відбору, відлякують хижаків, повідомляють про небезпеку і просто спілкуються між собою (а іноді - і з представниками інших видів). Основний механізм отримання інформації про правильний спів - соціальне навчання: дорослі самці (пісні, в основному, потрібні саме їм) вчать своїх пташенят співати, а якщо точніше - пташенята запам'ятовують пісні, заспівані батьком, а потім успішно імітують їх вже в дорослому віці.
За процес виробництва пісень відповідають два відділи головного мозку птахів: вищий вокальний центр (частина гіперстріатуму - пташиного аналога неокортексу) і нідопаліум (аналог префронтальної кори). Нейрони нідопаліуму активуються залежно від початку або кінця пісенного слогу, тим самим маркуючи початок або кінець елементу пісні, а вищий вокальний центр, будучи частиною премоторної кори, забезпечують моторний контроль частоти і тривалості звуку.
Зрозуміло, ці ж ділянки беруть інформацію з аудиторної кори і, по суті, повинні брати участь у первинному навчанні пісням. Роль їх - спільна або ж індивідуальна - в цьому процесі, однак, вивчена погано.
Розібратися в цьому докладніше вирішили вчені з Південно-західного медичного центру Техаського університету під керівництвом Тодда Робертса (Todd Roberts). Для свого експерименту вони вибрали зебрових амадин: оскільки ці птахи часто стають учасниками наукових досліджень, часові і просторові характеристики їх співу вивчені досить добре.
Всього в дослідженні взяли участь 32 молодих пташеня, які ще не навчилися співати. Їх розділили на три групи: 15 птахів навчалися співу у дорослих амадин, 10 не вчили співати зовсім, а ще 7 птахам в аксони нейронів нідопаліуму за допомогою аденоасоційованого вірусу ввели світлочутливі каналродопсини. Ці опсини дозволили вченим оптогенетично активувати синапси (місця контакту двох нейронів) між нідопаліумом і вищим вокальним центром. Сім пташенят вчили співу саме так - активуючи нейрони без жодної слухової або соціальної стимуляції.
Ефективність навчання птахів оцінили вже в дорослому віці. Пісні амадин, які навчалися у дорослих, складалися з трьох-шести окремих складів, кожен довжиною близько 100 мілісекунд, а всього в репертуар входило близько 70 унікальних за часовими і просторовими характеристиками елементів. Пісні ізольованих птахів складалися з чотирьох-семи елементів, які були значно довшими, а весь репертуар складався з 61 елемента.
Що стосується птахів, яких вчили співати за допомогою оптогенетики, то їх репертуар залежав від довжини імпульсів, якими активували терміналі аксонів. У птахів, яких вчили за допомогою імпульсів довжиною в 50 мілісекунд, довжина окремих елементів (всього в пісні використовувалися від одного до трьох складів) також становила близько 50 мілісекунд, а при використанні імпульсів довжиною в 300 мілісекунд окремі елементи також займали до 300 мілісекунд, що значно більше, ніж у всіх інших амадин. При цьому основні акустичні характеристики пісенних елементів (наприклад, використовувані для виконання частоти) не відрізнялися між групами, тобто не залежали від способу навчання. Перші зміни голосу почали з'являтися у всіх птахів одночасно - через два-три дні після початку навчання, після чого, протягом місяця, пісні набули потрібної форми.
На підставі цього вчені дійшли висновку, що стимуляція нейронів вищого вокального центру і нідопаліуму не просто змушує птахів співати за допомогою моторного і сенсорного впливу, а швидше формує пісні з їх далі використовуваного репертуару. При цьому робота цих ділянок, мабуть, для запам'ятовування пісень виявилася ключовою. Чотири пташенята, яких вчили співати оптогенетичною стимуляцією спільно з соціальною взаємодією з дорослими пташенятами, не змогли відтворити пісні своїх вчителів: просторові та часові характеристики пісень збігалися лише на 26 відсотків, в той час як зазвичай учні відтворюють до 89 відсотків характеристик своїх вчителів.
Нарешті, вчені також вирішили перевірити, чи буде активність вивчених ділянок ключовою і далі, після закінчення навчання. Для цього вони пошкодили зв'язки між нідопалліумом і вищим вокальним центром до або після соціального навчання птахів. Виявилося, що пошкодження ділянок до початку навчання порушує формування репертуару: птахи відтворюють лише 37 відсотків почутих від вчителя мотивів. Водночас пошкодження, завдане після навчання, репертуару не змінює, і птахи ефективно повторюють до 86 відсотків вивчених характеристик.
Автори роботи дійшли висновку, що оптогенетична стимуляція важливих для навчання пісень ділянок мозку амадин може ефективно замінити соціальну та слухову стимуляцію при навчанні. З одного боку, це показує, що зв'язок вищого вокального центру з нідопаліумом у формуванні репертуару відіграє ключову роль. З іншого боку, спогади про пісні, мабуть, після формування зберігаються вже в інших відділах, так як пошкодження шляху від нідопаліуму до вищого вокального центру після того, як всі пісні були вивчені, ніяк на виконання амадин не впливало.
Пісенні репертуари птахів сильно відрізняються між собою, що дозволяє орнітологам ефективно визначати окремі види. Спробувати себе в пташиному розпізнаванні по голосу ви можете за допомогою нашого тесту «Відмінні на слух».