13.12.2016

В птичьей песенке наследуются интервалы, а сами звуки выучиваются

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. 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.

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.

Подготовлено по материалам: 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

Источники:

1. elementy.ru