В нескольких словах
Исследование показало, что волнистые попугайчики, как и люди, имеют специальные нейроны для вокализации. Изучение мозга попугаев может помочь в понимании человеческой речи и её нарушений. В будущем планируется «переводить» трели попугаев с помощью машинного обучения.
Некоторые виды птиц способны имитировать человеческую речь. Певчие птицы, врановые и попугаи также используют вокализацию для общения. Но как им это удается и делают ли они это аналогично людям, оставалось загадкой. Исследование волнистых попугайчиков, опубликованное в журнале Nature, пролило свет на этот вопрос: у них есть ряд нейронов, специально предназначенных для активации голосового органа. Некоторые из них настолько специфичны, что отвечают за интонирование песни или издают более или менее высокие звуки. Они делают это с помощью другой части своего мозга, но в остальном механизм тот же, что и у людей.
«Попугаи, такие как австралийские волнистые попугайчики, фигурирующие в этом исследовании, отличаются своей невероятной вокальной способностью. Они могут имитировать различные звуки окружающей среды, включая речь», — говорит в электронном письме Майкл Лонг, старший автор исследования и преподаватель медицинской школы Нью-Йоркского университета. «Мы обнаружили, что в части мозга, аналогичной ключевому центру речеобразования у людей, существует представление вокальных звуков. Это первый вид, не относящийся к человеку, у которого была обнаружена такая вокальная моторная карта», — добавляет доктор Лонг.
Их открытие выходит за рамки этого: с помощью спектрального анализа они обнаружили, что существует корреляция между типом вокализации и паттерном мозговой активности. Таким образом, трель с определенным тоном, более или менее высоким, сопровождалась срабатыванием одних нейронов, но не других. У людей часть моторной коры, предназначенная для речи, кодирует тон, частоту вокализации. У волнистых попугайчиков эта часть мозга модулирует тон благодаря контролю над натяжением стенок сиринкса. По словам Цзетянь Яна, первого автора исследования, существует корреляция между типом звука, который издает волнистый попугайчик, и типом активируемых нейронов. На вопрос о других видах, родственных волнистым попугайчикам, Ян признает, что исследований не проводилось, но считает, что «попугаи с аналогичными вокальными способностями могут иметь такую же нейронную организацию».
Люди могут говорить, петь, кричать или шептать благодаря ряду нейронов в моторной области коры головного мозга, которые простирают свои окончания до ствола мозга, настоящей магистрали, соединяющей мозг со спинным мозгом и всей остальной нервной системой. Здесь эти окончания достигают nucleus ambiguus (двойного ядра), отвечающего за управление мускулатурой рта, глотки и, что здесь важно, гортани — человеческого голосового органа. Анатомия мозга птиц отличается, как и вокальная. У них нет голосовых связок, они издают свои песни с помощью сиринкса и вибрации его стенок. Но исследования с участием волнистых попугайчиков, неспособных издавать трели, показали, что их способность к вокализации находится в гомологе коры головного мозга млекопитающих, называемом передним ядром аркопалия (AAC).
Исходя из этого, неврологи из Медицинского центра Лангоне при Нью-Йоркском университете (США) поместили крошечные имплантаты в головы нескольких волнистых попугайчиков. Они записали более тысячи трелей и десятки «звонков» от четырех самцов в течение нескольких сеансов. Таким образом, они увидели, как активируются определенные нейроны AAC и как их окончания достигают сиринкса через ствол мозга. Чтобы подтвердить, что источником этой активности не является что-то другое, они также записали ее, слушая трели других особей или в моменты тишины. Они также увидели, как они повторно использовали одни и те же нейронные наборы при воспроизведении очень похожих звуков.
Джошуа Нойнубель, нейробиолог из Университета Делавэра (США), пишет комментарий, также в Nature, о значении исследования этих волнистых попугайчиков. Сначала он напоминает о различиях между видами: «Люди обладают непревзойденной вокальной гибкостью для речи, попугаи преуспевают в имитации, а зебровые амадины [используемые в качестве контрольной группы в исследовании] издают стереотипные песни с фиксированными слогами». Тем не менее, он отмечает то, что у них общего. Несмотря на анатомические различия, «фундаментальная нейронная организация от переднего мозга, через ствол мозга, к голосовому органу сохраняется, демонстрируя, как схожие архитектуры адаптировались в ходе эволюции для создания уникального вокального поведения».
Эту идею эволюционной конвергенции с разных точек зрения продемонстрировала недавняя публикация нескольких работ о мозге млекопитающих, птиц и рептилий. Фернандо Гарсия Морено, исследователь Ikerbasque из Achucarro Basque Center for Neuroscience и главный автор двух из этих исследований, подчеркивает этот процесс: «Попугаи могут имитировать нашу манеру речи, но их мозг управляет вокализацией с помощью частей мозга, отличных от человеческих. В то время как люди используют неокортекс, волнистые попугайчики делают это через переднее ядро аркопалия, область, эволюционно связанную с миндалевидным телом человеческого мозга».
Гарсиа Морено удивляет сходство вокальных цепей, несмотря на то, что главные действующие лица в мозге разные. Его работы, опубликованные в Science, показали, что нейроны и цепи в иерархически высоких областях мозга эволюционировали независимо у млекопитающих и птиц, но сходились в схожих функциях. Это исследование, добавляет он, «показывает, что даже при независимой эволюции физиология речи очень похожа в обеих группах видов, поэтому биологическую основу речи можно одинаково понимать у волнистых попугайчиков и людей». «Изучение этих маленьких попугаев может помочь лучше понять вокализацию у людей, как в нормальной речи, так и при связанных с ней расстройствах», — добавляет он.
Это одна из заключительных идей, предложенных авторами исследования волнистых попугайчиков: использовать их, чтобы лучше понять человеческую речь и те расстройства, которые мешают некоторым людям говорить. Другая — мечта понять, что они говорят в своих трелях. В будущем, говорит доктор Лонг, «мы хотели бы использовать передовые методы машинного обучения для перевода звуков, издаваемых волнистыми попугайчиками, в объекты или действия». «Нас интересуют когнитивные процессы, которые позволяют им получать доступ к определенным звукам; эти процессы аналогичны тем, которые позволяют нам думать о слове, и эти вычисления нарушаются при таких коммуникативных расстройствах, как афазия», — заключает он.
