To hjerneområder interagerer for at hjælpe finker med at vide, hvornår og hvordan de skal skræddersy deres sange til specifikke situationer

Forskere ved UC San Francisco har vist, hvordan den bengalesiske finke, en tamme sangfugl, kan lære at tilpasse sin sang på specifikke måder afhængigt af kontekst, som kunne kaste lys over, hvordan den menneskelige hjerne lærer at anvende forskellige regler afhængigt af situationen, og har implikationer for forståelsen af ​​menneskeligt sprog og bevægelsesforstyrrelser.

Studiet, offentliggjort 16. november, 2017, i Neuron , viste, at finker skifter fra generiske til specifikke versioner af deres sange afhængigt af den situation, de er i. Hvad mere er, forskerne identificerede to forskellige områder i fuglenes hjerner dedikeret til denne læringsproces:en region, der koder generaliserbare regler for at producere standardsange, og et andet område, der kan tilsidesætte standardstien for at producere forskellige lyde til forskellige sammenhænge.

Det ligner meget, hvordan din egen hjerne i barndommen lærte standardarmbevægelsen til at nå og gribe en genstand, men har siden da også lært at justere kraften i din arm og greb om din hånd baseret på situationen - hvis, for eksempel, du samler en fuld kop op i stedet for en tom.

"Vi ønskede at forstå, hvordan hjernen balancerer behovet for at generalisere læring af bevægelser på tværs af mange sammenhænge med behovet for at producere specialiserede bevægelser i specifikke sammenhænge, " sagde Lucas Tian, en ph.d.-studerende i Brainard-laboratoriet på UCSF og hovedforfatter på undersøgelsen. "Denne tendens er blevet vist hos mennesker under bevægelse og taletilpasning, men de neurale mekanismer for, hvordan denne balance medieres, kendes ikke. Sangfugle lærer at synge på samme måde, som mennesker lærer at tale, så vi troede, at sangfuglen ville være et rigtig godt modelsystem til at studere denne proces."

Finker lærer at justere sang baseret på kontekst

Neurobiologer som UCSF's Michael Brainard, PhD, professor i fysiologi og psykologi og medlem af Weill Institute for Neurosciences ved UCSF og seniorforfatter af det nye studie, har længe studeret fuglesang for, hvad det kan lære os om, hvordan den menneskelige hjerne lærer kompleks adfærd som sprog, og hvordan de samme hjernesystemer falder fra hinanden ved bevægelsessygdomme som Parkinsons lidelse.

Meget ligesom menneskeligt sprog, finkesang består af sekvenser af 'stavelser' - lydenheder, der ligner musikalske akkorder - og læres oprindeligt af unge fugle ved at efterligne voksne 'lærere'. Som voksne, finker synger for at tiltrække kammerater, og kan stadig lære at justere deres sange afhængigt af kontekst – såsom om de optræder eller øver. Brainards laboratorium viste tidligere, hvor i hjernen finker inkorporerer feedback for at forbedre deres sange, men det var stadig uklart, hvordan finker anvendte disse lektioner til specifikke situationer.

I den nye undersøgelse, Tian og Brainard ønskede at vide, om fuglene kunne lære at selektivt ændre tonehøjden af ​​specifikke stavelser i deres sange afhængigt af konteksten. For at træne finkerne, forskerne spillede et udbrud af hvid støj, når fuglene sang en bestemt stavelse uden for et tonehøjdeområde, som forskerne havde fastsat. Fuglene lærte hurtigt at skifte tonehøjden for den stavelse i deres sang for at undgå den ubehagelige lyd.

Træningen fandt kun sted, når finkerne sang målstavelsen i en bestemt sangsekvens. Imidlertid, forskerne observerede, at fuglene også begyndte at justere tonehøjden af ​​denne stavelse, når den også forekom i forskellige dele af deres sang, tyder på, at de generaliserede den nye regel på tværs af kontekster. For eksempel, fuglene kunne trænes til at hæve tonehøjden for stavelse C i rækkefølgen A-B-C-D, men de kan også begynde at synge en højere stavelse C, når de også synger D-B-C-A. Hvor meget fuglene justerede deres tonehøjde i nye sammenhænge afhang af, hvor lig sekvensen var den originale sang.

For at forstå, om fugle kunne lære forskellige regler for forskellige situationer, forskerne udfordrede derefter finkerne til at ændre den samme stavelse i modsatte retninger afhængigt af konteksten. Bemærkelsesværdigt, fuglene lærte at skelne mellem sammenhænge og varierede deres svar derefter. For eksempel, de lærte at synge C i en lavere tonehøjde, når stavelsen blev indledt af et B, men i en højere tonehøjde, når den blev indledt af et A.

"Denne type sofistikeret tilpasning af læring til forskellige sammenhænge ligner meget menneskelig tale, " sagde Brainard. "Det er svært at studere, hvad der foregår i den menneskelige hjerne under denne proces, men vi kan spørge, hvordan denne kontekstafhængige læring foregår hos fugle. Der er tilstrækkelig lighed i neurale strukturer mellem fugle og pattedyr til at give os mulighed for at tro, at det, vi lærer i fuglen, kan gælde mere bredt."

To hjerneregioner styrer regelbaseret og kontekstafhængig læring

Der er to hjerneområder i finken, der er afgørende for sangindlæring og -produktion:sangens motorvej, som er påkrævet for at frembringe lydene, og den anteriore forhjernebane (AFP), et eksekutivfunktionskredsløb, der er involveret i at lære og modificere sange.

Ved kemisk at blokere AFP, mens fuglene lærte at ændre deres tonehøjde, forskerne var i stand til at analysere de specifikke funktioner i de to regioner under læring. De opdagede, at aktivering i AFP var nødvendig for at finker kunne lære at ændre deres tonehøjde i en bestemt kontekst. AFP genkendte, når målstavelsen forekom i den rigtige rækkefølge og meddelte den motoriske vej, at den skulle ændre stavelsens tonehøjde. Uden specifikke instruktioner, motorvejen begyndte derefter at inkorporere og generalisere denne regel til andre sammenhænge, nogle gange justere stavelse tonehøjde for andre sange. Jo mere feedback motorvejen modtog for at ændre tonehøjden, jo mere pålideligt gjorde det det på tværs af sammenhænge.

Imidlertid, da fuglene lærte at ændre deres tonehøjde i to retninger for to forskellige sammenhænge, motorvejen kunne ikke udlede og generalisere en enkelt regel. Følgelig, AFP var nødt til at forblive aktiv for at fortælle motorvejen, hvornår og hvordan banen skulle ændres.

"Denne sangsti er meget smartere og mere fleksibel, end vi oprindeligt troede, " sagde Tian. "Det er ikke bare obligatorisk at producere en stavelse. Den har adgang til information om, hvordan man ændrer en opgave afhængigt af den større kontekst."