W swoim domowym biurze w Durham neuronaukowca Duke Richard Mooney pokazuje serię zdjęć ptaka mózgu na piosence.
W jednym, coś, co wygląda jak obraz polegający na ilustruje niezliczone próby młodej Zebry Fincha, by brzmieć bardziej jak dorosły, zdolny do zdobycia partnera. W innej linie squiggly śledzą odpływ i przepływ sygnałów chemicznych w obwodzie nagrody mózgu ptaka.
„Ich piosenki na początku nie brzmią zbyt” – powiedział Mooney, który studiował Birdsong od czterech dekad.
To dlatego, że niektóre rzeczy wymagają znacznej praktyki do opanowania. Nikt po raz pierwszy nie idzie na kort tenisowy i gra mecz godny Wimbledonu ani nie bierze fortepianu i staje się wirtuozem z dnia na dzień.
Podobnie w ziębach zebry pisklęta nie zaczynają życia od wokalnych kotletów, aby ich charakterystyczne tryle, ćwierkania i podglądaczy. Zajmuje ich trochę czasu.
„Ilość wysiłku, jaki podaje młodzieńczy ptak, aby osiągnąć wokalne mistrzostwo, jest ogromna” – powiedział Mooney. „Zajmuje je około miesiąca solidnej praktyki każdego dnia, do 10 000 interpretacji dziennie”.
Młode zięby trzymają się na godzinę po godzinie, dzień po dniu, nawet gdy nikt nie słucha. Ich motywacja do mistrzostwa pochodzi od wewnątrz. A teraz nowe badania rzucają światło na sygnały mózgu leżące u podstaw ich wewnętrznej pragnienia nauki ich piosenek; Ma to również implikacje dla zrozumienia uczenia się człowieka i zaburzeń neurologicznych.
Dzięki nowym narzędziom i technikom, w tym postępowi w uczeniu maszynowym oraz zdolności do śledzenia subtelnych i szybkich fluktuacji chemicznych w mózgu, profesor neurobiologii Mooney i Duke'a, John Pearson, zaczynają rozpraszać sygnały molekularne, które napędzają uczenie się na własną rękę.
W New Research opublikowanych 12 marca w czasopiśmie Nature, zespół umieścił męskie zięby młode zebry w poszczególne dźwiękowe pokoje, w których mogli ćwiczyć swoje piosenki w Will.
W Zebrze Finches tylko mężczyźni śpiewają; Młode ptaki uczą się swojej piosenki zalotów na początku życia, najpierw słuchając taty i zapamiętując jego piosenkę. Potem, podobnie jak dzieci uczące się rozmawiać, zaczynają bełkotić, a ich piski powoli stają się bardziej podobne do pieśni. Ćwicząc ich piosenki i słuchając wyników, stopniowo odkrywają, jak wyprodukować odpowiednie nuty i rytmy, aby dopasować ich mentalny szablon piosenki taty.
Zostanie biegłym śpiewakiem wymaga, aby pisklę Zebra zięby około trzech miesięcy stać się popularnymi śpiewakami.
Dla Mooneya, wieloletniego fan Rock 'N' Roll, sesje ćwiczeń mężczyzn są trochę jak obsesyjny proces nagrywania dla Beatlesów. „Beatlesi mogli zrobić sto ujęć”, zanim byli zadowoleni, powiedział Mooney. Podobnie „te zestawy danych ptaków stają się tak duże”.
Właśnie tam przyszedł zespół Pearsona. Aby zdobyć dane, opracowali model uczenia maszynowego, który może przeanalizować tysiące interpretacji piosenek i zdobyć każdą próbę.
„W ten sposób możemy śledzić uczenie się na zasadzie momentu”-powiedział Pearson.
„Niektóre próby były trochę lepsze, a niektóre były trochę gorsze” – dodał. Ogólnie rzecz biorąc, im dłużej pracowały nad nim ptaki, tym lepiej.
Gdy ptaki stopniowo opanowują swoje melodie, zespół mierzył również poziom dopaminy uwalnianej w zwojach podstawy ptaków, część mózgu zaangażowanego w naukę nowych umiejętności motorycznych.
Dopamina jest jednym z chemicznych posłańców mózgu, przekazując ważne sygnały dotyczące uczenia się, nagrody i motywacji z jednego neuronu do drugiego.
Aby monitorować dopaminę, naukowcy wykorzystali małe czujniki wykonane z genetycznie zmodyfikowanych białek, które świecą, gdy poszczególne neurochemiczne są uwalniane w mózgu. Technologia umożliwia śledzenie aktywności mózgu, która jest w dużej mierze niewidoczna dla typowych metod opartych na pomiarach sygnałów elektrycznych.
To, co ich znaleźli, zaskoczyło. Ilekroć praktykował ptak, poziom dopaminy w zwojach podstawy ptaka zaczął rosnąć. Nie miało znaczenia, czy uderzyli wszystkie notatki, czy przegapili znak. Innymi słowy, wszelkie wysiłki w śpiewaniu aktywują sygnały na szlakach nagrody mózgu.
Dopamina ptaków wzrosła bardziej, gdy ptak działał lepiej niż był typowy dla ich wieku. Sygnał był nieco słabszy, gdy się cofnęli.
Im lepiej występowali w swoim wieku, tym więcej dopaminy wzrosła, powiedziała pierwsza autorka Jiaxuan Qi, która wykonała pracę w ramach doktoratu. w neurobiologii w Duke.
Dopamina od dawna wiadomo, że odgrywają ważną rolę w tym, jak ludzie i inne zwierzęta uczą się z zewnętrznych nagród i kar.
Weźmy na przykład dziecko studiujące, ponieważ chce uzyskać dobrą ocenę lub uniknąć skargi. Lub rozważ szczura uczącą się naciskać dźwignię żywności.
Ale ptaki nie potrzebują marchewki ani kijów, aby nauczyć się śpiewać. Ponieważ ptaki były same podczas sesji treningowych, śpiewając w dźwiękowym pokoju, nie otrzymały żadnych zewnętrznych informacji zwrotnych na temat tego, jak sobie radzą.
„Nikt nie mówi ptakowi, jeśli jest studentem honorowym lub zostanie wysłany do zatrzymania” – powiedział Mooney.
Zamiast tego ustalenia sugerują, że dopamina działa jak wewnętrzny „kompas”, aby kierować ich nauką.
Badania zespołu pomagają wyjaśnić, w jaki sposób uczenie się nadal dzieje się nawet przy braku zewnętrznych zachęt. Naukowcy stwierdzili również, że dopamina nie jest jedynym sygnałem chemicznym wymaganym do takiego uczenia się.
Qi był w stanie wykazać, że inny chemiczny posłaniec o nazwie acetylocholina może wyzwolić uwalnianie dopaminy w mózgu ptaków podczas śpiewania. Działa poprzez wiązanie się z inną częścią neuronów, nadając ptakowi dodatkowe wzmocnienie dopaminy, gdy pasuje do ballady.
Kiedy ptaki otrzymywały leki, które blokowały sygnalizację dopaminy lub acetylocholiny w zwojach podstawy, ptaki zrobiły mniej postępów, dodał Qi.
„Uczenie się w zasadzie zatrzymuje się” – powiedział Mooney. „Ptak wciąż dużo śpiewa, ale wydaje się, że nie jest w stanie się z niego uczyć”.
Mooney powiedział, że potencjalne implikacje wykraczają poza mózgi ptaków.
„Te odkrycia przekładają się na gatunki” – powiedział Pearson. „Zaangażowane regiony mózgu i neurochemiczne – mianowicie zwoje podstawy, dopamina i acetylocholina – są dzielone przez myszy, naczelne, ludzi. Zasadniczo każde zwierzę z kręgosłupem”.
Studiowanie, w jaki sposób ptaki uczą się śpiewać, może pomóc badaczom lepiej zrozumieć, w jaki sposób ludzie uczą się innych umiejętności motorycznych, takich jak mówienie, żonglowanie lub gra na instrumencie. W tym sensie Mooney powiedział: „Uczenie się ptaków jest bardzo podobne do tego, co robią dzieci, gdy spontanicznie zdobywają te niezwykłe umiejętności”.
Problemy sygnalizacyjne dopaminy w zwojach podstawy zostały również powiązane z wieloma chorobami, w tym Parkinsona i schizofrenią.
„Naprawdę ważne jest, abyśmy zrozumieli te regiony, a ptak jest sposobem na uzyskanie tych zasad” – powiedział Pearson.
„Spośród wszystkich pozostałych granic naukowych mózg jest prawdopodobnie najbardziej słabo zrozumiany i jest fundamentalny dla bycia człowiekiem” – powiedział Mooney.
Badania te były wspierane przez dotacje z National Institutes of Health (5R01 NS099288, RF1 NS118424, F32 MH132152 i F31 NS132469).