Jak ptaki odpowiadają na sekwencje dźwięków

Ptaki są szczególnie biegłe w rozpoznawaniu wzorców składniowych. Korzystając z dofinansowania UE dla projektu SYNTAX (Neurophysiology of birdsong syntax perception), naukowcy postanowili zbadać potencjalne podobieństwa w neuronalnym przetwarzaniu składni między ptakami i ludźmi. Przy pomocy macierzy 64 śródmózgowych elektrod naukowcy zarejestrowali aktywność elektryczną populacji neuronów w jądrach układu słuchu i śpiewania podczas stymulacji za pomocą sztucznych sekwencji przypominających śpiew.

Zespół wykorzystał zeberkę timorską – powszechnie badany zwierzęcy model mowy i mechanizmów neuronalnych związanych z językiem. Ze względu na charakter eksperymentu, badanie przeprowadzono w znieczuleniu za pomocą izufloranu. Ten środek znieczulający wywołuje stan podobny do snu, w którym pierwotne i wtórne obszary kory mózgowej nadal reagują w sposób specyficzny dla bodźca na złożone sekwencje, w tym naturalny śpiew.

Nieoczekiwanie naukowcy zidentyfikowali spontanicznie przemieszczające się fale o aktywności indywidualnej (potencjał czynnościowy) jak i populacyjnej (potencjał pola) w większości przodomózgowia, zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz obszarów słuchowych. Aktywność tę zaobserwowano również w nowej korze mózgowej.

Następnie, badacze analizowali zmiany tej aktywności w korze słuchowej na skutek stymulacji z zastosowaniem sekwencji sztucznych dźwięków opartych na naturalnych sylabach śpiewu. Jednym z najważniejszych rezultatów projektu było ustalenie, że zeberka timorska wykazuje zarówno opartą na pamięci adaptację specyficzną dla bodźca jak i uczenie się reguł. Dotychczas uczenie się reguł sekwencyjnych, będące kluczem do ludzkich możliwości składniowych, było badane tylko behawioralnie na zwierzętach innych niż człowiek, dając bardzo kontrowersyjne wyniki.

Projekt SYNTAX wykonał następny krok, identyfikując wzory odpowiedzi neuronalnych zgodne z procesami neuronalnymi dotyczącymi przewidywania przyszłych danych wejściowych w oparciu o krótkoterminowe uczenie się reguł. Innymi słowy, ta aktywność może odzwierciedlać krótkoterminową przewidywalność wystąpienia sylaby w sekwencji.

Uzyskane wyniki poszerzają przydatność modelu zwierzęcego zeberki timorskiej przez uwzględnienie jego roli jako systemu porównawczego modelu neuronalnego w uczeniu się reguł składniowych. Wyniki te mogą też prowadzić do lepszego zrozumienia zmian w wywołanych reakcjach, odzwierciedlając zmianę w oczekiwanej sekwencji bodźców (ujemne niedopasowanie). Zjawisko to wiąże się z wieloma funkcjami poznawczymi i zaburzeniami, w tym dysleksją i chorobami psychicznymi. Nie ulega wątpliwości, że opracowanie modelu zwierzęcego uczenia się reguł składniowych przyniesie szerokie korzyści.