Управление сложными звуками у попугаев основано на тех же принципах, что и у человека: нейроны создают упорядоченную «карту» акустических признаков в определенном участке мозга. Такой подход может изменить лечение заикания и афазии.
Для речи человеку необходима точная координация мышц гортани, языка и губ. Долгое время считалось, что такой уровень контроля свойственен только людям. Однако некоторые птицы, например волнистые попугайчики, могут имитировать речь человека, заставив ученых искать общие нейронные механизмы. Все еще неясно, как мозг попугаев управляет произношением и есть ли здесь параллели с человеческим мозгом.
Для исследования управления мозгом образованием сложных звуковых комплексов, подобных речи, нейробиологи провели эксперимент с двумя видами птиц. Были сравнены волнистые попугайчики, способные имитировать человеческую речь, и зебровые амадины, песни которых состоят из жестких шаблонов. Nature, выявили Попугаи обладают механизмом регуляции звуков, аналогичным таковому у людей.
Исследователи изучали две области мозга: центральное ядро переднего аркопаллиума AAC у попугаев и робустное ядро аркопаллиума RA у амадин.
С помощью микроэлектродов зафиксировали активность 220 нейронов AAC у четырех попугаев и 502 нейронов RA у семи амадин во время пения. У попугаев область AAC работает как «акустический процессор» — нейроны кодируют не отдельные ноты, а физические параметры звука: высоту тона, гармоники, шумовые компоненты. Например, при звуке частотой два килогерца активировалась одна группа нейронов, а при четырех — другая. У амадин RA контролировал только порядок нот в песне, не связывая их с акустическими свойствами.
Отличия между видами оказались важными. Нейроны попугаев AAC создавали непрерывную «карту» звукового спектра: похожие частоты активировали частично перекрывающиеся группы нейронов. Это позволяет гибко комбинировать звуки, как человек складывает слова из фонем. У амадин каждый элемент песни, даже если он акустически близок, кодировался особым набором нейронов, что исключает вариативность.
Одним из отличий является связь с голосовым органом: более половины нейронов AAC реагировали на высоту тона, регулируя напряжение мышц сиринкса — птичьего аналога гортани. У амадин RA управляет только временными параметрами песни, но не ее акустикой.
Для проверки гипотезы исследователи разработали алгоритм, предсказывающий высоту тона по активности нейронов.
У попугаев точность прогноза составила 84% (R = 0,84). У амадин эта же модель дала случайный результат (R = −0,02), так как их нейроны не содержали информации о частоте звука.
Новое исследование показало, что мозг попугаев и человека организует зоны речи одинаковым образом. И в обеих группах нейроны сгруппированы по акустическим признакам, а не жестким шаблонам. Это позволяет обоим видам «переиспользовать» нейронные ансамбли для создания новых звуков — именно это является основой обучения речи.
Амадины, обладающие ограниченным словарём, стали важным контраргументом. Их мозг в отличие от мозга попугаев не связывает активность нейронов с акустикой, что объясняет невозможность имитации. Открытие не только раскрывает эволюционные корни речи, но и предлагает модель для изучения её нарушений — от заикания до последствий инсульта.