Ikke -lineær fysik bygger tanker til lyde i fuglesang

Den smukke lyd af fuglesange, der dukker op fra træerne, er et vidunderligt eksempel på, hvor meget naturen stadig kan lære os, selv om meget om deres oprindelse stadig er mystisk for os. Omkring 40 procent af fuglearterne lærer at vokalisere, når de udsættes for en vejleder, en adfærd af interesse for mange neurologer og neurobiologer. De andre 60 procent kan stemme instinktuelt isoleret. Sorten på tværs af arter, og forholdet mellem nervesystemet og biomekanik gør fuglesangproduktion til en kompleks proces at opklare og forstå.

Fysiker Gabriel Mindlin, fra universitetet i Buenos Aires i Argentina, har set på fænomenerne ud fra det, der er et af problemets mest samlende og potentielt oplysende perspektiver:den dynamiske fysik i fugles vokalorganer. I hans seneste, grundig gennemgang af emnet, offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Kaos , han undersøger rollen som grundlæggende fysiske egenskaber i fuglesangens akustiske kompleksitet, og det forhold, de har med neurale instruktioner til deres produktion.

"Mit hovedspørgsmål var:Hvilken del af dette komplekse fænomen, denne komplekse adfærd, skyldes fysikken og biomekanismerne, der er involveret, og hvor meget skyldes de særlige neurale strukturer, der styrer det, "Mindlin sagde." Min baggrund er ikke -lineær dynamik; derfor, Jeg var parat til at acceptere, at mange af adfærdens kompleksiteter kunne være forbundet med det faktum, at vokalindretningen var en ikke -lineær enhed og derfor endda med enkle parametre, du kan beskrive kompleks adfærd. "

Med udgangspunkt i de eksperimentelle fund fra direkte observationer - herunder en undersøgelse, der brugte et miniaturetransducersystem monteret på en fugles ryg til at måle ændringer i lungens luftsækketryk - ser Mindlin på de vigtigste strukturelle parametre, der involverede sangproduktionen.

"Sangfuglene deler hovedtræk i den måde, de producerer deres sange på, så du kan bygge en samlende model, og de fleste af de akustiske forskelle, de kan opnå, skyldes regionen i parameterrum, hvor de opererer, "Mindlin sagde." Der er nogle universelle træk, der bevares på tværs af arter. "

Fra det direkte bevis for den involverede akustik og biomekanik, Mindlin og hans kolleger byggede modeller af dette parameterrum for at beskrive de præcise ikke -lineære dynamiske egenskaber, der styrer processen. Pas på potentiel skepsis fra det biologiske samfund, han testede også modellerne ved at genskabe sange og bruge dem til at studere fuglereaktioner på lignende måde som ældre undersøgelser, der brugte egentlige sangoptagelser.

Brug af syntetiske fuglesange, Mindlin og hans samarbejdspartnere var i stand til at genskabe meget af den neurale reaktion i zebrafinker, der blev målt ved brug af optagelser af deres rigtige sange. Disse neurale signaturer, og hvordan de forholder sig til lydproduktionen, tilbyde en masse indsigt i neurobiologien i sprogproduktion samt, måske overraskende, til mere rent grundlæggende fysik.

"Det interessante er, at det åbner mange spørgsmål for det fysiske samfund, hvordan man går fra et neuron til muskelfibers kollektive aktiviteter og den mikroskopiske kontrol af biomekanikken. Det er et åbent spørgsmål for statistisk mekanik uden for ligevægt, "Sagde Mindlin.