Элементы Элементы большой науки

Главная / Новости науки

В птичьей песенке наследуются интервалы, а сами звуки выучиваются


Юный самец зебровой амадины (слева) со своим приемным отцом, японской амадиной, который обучает приемыша пению

Юный самец зебровой амадины (слева) со своим приемным отцом, японской амадиной, который обучает приемыша пению. Фото с сайта sciencedaily.com

Трое японских ученых изучали, какие характеристики песенки у амадин врожденные, а какие — заученные. Их работа состояла из двух частей. Во-первых, они создали экспериментальные условия, в которых птенцы зебровых амадин учились пению у своих приемных отцов другого вида — японских амадин, и затем проанализировали песенки родных и приемных отцов и самих учеников — к кому окажется ближе птенцовый вокал. Во-вторых, они провели элекрофизиологическое исследование, выявив группы нейронов, специфически отвечающих на отдельные звуковые характеристики. Результаты обеих частей исследования говорят о том, что у зебровых амадин наследуются не звуковые проявления, а специфический звуковой сценарий: важны моменты отсутствия звучания и их продолжительность. А звуковое наполнение размеченных промежутков птенцы перенимают от своих родителей. Такой принцип кодирования песенки существенно экономичнее, чем кодирование разнообразных звуковых характеристик.

Разнообразие певчих птиц огромно — их не менее 5000 видов; еще более огромно разнообразие птичьих песенок — у каждого вида существует свой специфический набор трелей и прищелкиваний, который расцвечивается индивидуальными колоратурами. Слушая в лесу птичьи голоса, орнитолог без труда выделит песни того или иного вида. Птицы, очевидно, могут еще лучше отличать песенки своего вида от всех других, оценивая и вокальные таланты соседей. Но мы пока не знаем, как наследуется птичья песенка.

Известно, что птенцы учатся петь у своих родителей, добавляя в песенку кое-что и от себя (см. В мозге птиц обнаружен механизм, не позволяющий переучивать выученное, «Элементы», 19.01.2016). Значит ли это, что видоспецифический рисунок песни целиком определяется способностью учеников точно имитировать учителя? Вряд ли: это потребовало бы от учеников исключительных способностей и прилежания, ведь они должны были бы в долгой череде поколений безошибочно повторять видовую песенку. Значит ли это, что характерные особенности песенки вида закреплены генетически, так что птенцу остается только немного тренировки? Если последнее верно, то важны детали: какие свойства песни являются врожденными, а какие нужно приобрести в ходе вокальных упражнений? Узнав такие подробности, можно в принципе понять, как птенцы учатся петь, если вокруг бесчисленные певцы разных видов и бесчисленные примеры для подражания, и какие области мозга задействуются в ходе этого специфичного обучения.

Этой проблемой занялись японские специалисты из Окинавского института науки и технологии. Они проделали весьма несложную, но очевидную операцию — перенесли совсем юных птенцов зебровых амадин в гнездо японских амадин. В результате японские амадины воспитывали приемных птенцов, обучая их, как умели, своим песенкам. Всё это, понятно, было затеяно для того, чтобы услышать песенки подрощенных приемышей: чьи же песни они будут петь? Свои или своих приемных родителей? Песни у двух видов различаются весьма заметно. Так же сильно они отличались и от песенок приемных воспитанников (эти песенки можно послушать здесь).

Ученые анализировали два параметра, по которым различается рисунок песенки у этих двух видов, — длительность самих звуковых слогов и длительность промежутков между ними. Оба параметра имеют свой особый акцент. Так, у японских амадин большинство песенных слогов в трелях имеют длительность 50–70 мс, а у зебровых амадин распределение звуков по длительностям имеет два максимума — около 50 и около 100 мс. При этом промежутки между звуковыми слогами у первых имеют двугорбое распределение с максимумами в 40 и 80–90 мс, а у вторых — с одним явным максимумом в 40 мс.

Выращенные приемыши воспроизвели промежуточный вариант песенки: по длительностям звуковых слогов их песенка напоминала трель приемного отца, а по длительностям промежутков между слогами — генетических родителей, которых они никогда не слышали. Иными словами, рисунок песни приемышей был заранее размечен на жесткие интервалы, в пределах которых ученик всё же мог позволить себе вокальные вольности, выучив чужеродное звучание. Важно отметить, что во вспомогательном эксперименте, где птенцы зебровых амадин воспитывались безголосыми мамами и учились петь вообще без отца-наставника, руководствуясь лишь инстинктом, в песенке повторялось видоспецифичное распределение промежутков между слогами, а частоты и длительности самих трелей оказались очень изменчивыми.

Характеристики песенок японских амадин (слева), зебровых амадин (справа) и птенцов зебровых амадин, воспитанных японскими сородичами

Характеристики песенок японских амадин (слева), зебровых амадин (справа) и птенцов зебровых амадин, воспитанных японскими сородичами. Верхние графики показывают распределение длительностей беззвучных промежутков, нижний — длительность звуковых слогов. Видно, что воспитанники переняли звуковой набор от приемных родителей, а рисунок промежутков между звуками — от генетических родителей. Рисунок из обсуждаемой статьи в  Science

Этот результат сам по себе замечательный — он раскрывает конкретные признаки, которые следует обсуждать в дискуссиях о становлении звуковой коммуникации. Ясно, что нет полностью наследственной песенки, как нет и полностью подхваченной извне. А есть какие-то конкретные параметры звуковых сигналов, которые наследуются, — в противовес тем, которые выучиваются. Но японская команда сделала еще один шаг в познании этого баланса «врожденное против выученного». Они выявили популяции нейронов, которые отвечали за эти конкретные характеристики песенки: звуковые слоги и беззвучные промежутки между ними.

Ученые работали по электрофизиологическим методикам, используя микроэлектроды, вживленные птицам — взрослым родителям и обученным птенцам — в область мозга, которая отвечает за распознавание песенок. Находящихся под наркозом птиц с вживленными микроэлектродами помещали в камеры со звукоизоляцией и давали прослушать наборы песен, снимая сопутствующие показания с электродов. Песни для проигрывания были отобраны весьма хитроумно: это были песни своего вида, песни другого вида, песни своего вида, в которых промежутки между слогами оставлены прежними, а сами слоги заменены на белый шум и, наоборот, в которых слоги оставлены без изменений, а промежутки между слогами сдвинуты. Ясно, что был и контроль с белым шумом. Также птицам давали прослушивать серии единообразных слогов с определенными промежутками.

В результате кропотливой работы были выявлены два типа нейронов. «Высокочастотные» нейроны реагировали в основном на сигнал с видоспецифичными промежутками между слогами. Они одинаково активно срабатывали при предъявлении как песенок своего вида, так и песенок с белым шумом вместо характерных слогов. При изменении длительности промежутков между звуками эти нейроны возбуждались заметно меньше. Ученые предположили, что эти нейроны действуют как штрих-код: если есть совпадения по сериям черных и белых отрезков, значит предъявленный сигнал заслуживает внимания. «Низкочастотные» нейроны реагировали на характерные звуковые параметры: они не реагировали на предложенную песенку с белым шумом вместо звуковых слогов, зато сдвиг беззвучных интервалов на их работу практически не влиял.

По мнению ученых, кодировка беззвучных интервалов более экономична по сравнению с кодировкой самих звуков. Действительно, у самого звука существует большое число разных параметров, которые можно варьировать и которые, следовательно, нужно кодировать в нейронных ответах. Если же обратиться к промежуткам между звуками (звуковому рисунку), то потребуется закодировать только один параметр — наличие или отсутствие звука.

Такой подход сильно упростит и процедуру кодирования песни, и процедуру ее узнавания. Зато какой простор для проявления индивидуальности! Кто знает, может птичьи песни помогут людям лучше понять и природу своей собственной речи, то, как устроено ее распознавание в наших нейронных сетях. Мы ведь помним, что песнями птичек и человеческой речью управляют сходные нейронные и генетические агенты (см. Птичьи песни и человеческая речь организуются за счет сходных генов, «Элементы, 22.12.2014).

Источник: Makoto Araki, M. M. Bandi, Yoko Yazaki-Sugiyama. Mind the gap: Neural coding of species identity in birdsong prosody // Science. 2016. V. 354. P. 1282–1287. DOI: 10.1126/science.aah6799.

Елена Наймарк


Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2017 II, I  2016 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Индикатор», «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science