Юный самец зебровой амадины (слева) со своим приемным папой, японской амадиной, который обучает приемыша пению. Фото с сайта sciencedaily.com
Трое японских ученых учили, какие характеристики песенки у амадин врожденные, а какие — заученные. Их труд состояла из двух частей. Во-первых, они создали экспериментальные обстоятельства, в которых птенцы зебровых амадин учились пению у своих приемных пап другого вида — японских амадин, и затем проанализировали песенки родимых и приемных отцов и самих учеников — к кому окажется ближней птенцовый вокал. Во-вторых, они провели элекрофизиологическое исследование, выявив группы нейронов, специфически отвечающих на отдельные звуковые характеристики. Итоги обеих частей исследования говорят о том, что у зебровых амадин наследуются не звуковые проявления, а специфический звуковой сценарий: значительны моменты отсутствия звучания и их продолжительность. А звуковое наполнение размеченных интервалов птенцы перенимают от своих родителей. Такой принцип кодирования песенки существенно экономичнее, чем кодирование многообразных звуковых характеристик.
Разнообразие певчих птиц огромно — их не немного 5000 видов; еще более огромно разнообразие птичьих песенок — у любого вида существует свой специфический набор трелей и прищелкиваний, какой расцвечивается индивидуальными колоратурами. Слушая в лесу птичьи голоса, орнитолог без труда выделит песни того или другого вида. Птицы, очевидно, могут еще лучше отличать песенки своего облика от всех других, оценивая и вокальные таланты соседей. Но мы пока не ведаем, как наследуется птичья песенка.
Известно, что птенцы учатся распевать у своих родителей, добавляя в песенку кое-что и от себя (см. В мозге птиц замечен механизм, не позволяющий переучивать выученное, «Элементы», 19.01.2016). Значит ли это, что видоспецифический рисунок песни целиком определяется способностью учеников достоверно имитировать учителя? Вряд ли: это потребовало бы от учеников исключительных способностей и прилежания, ведь они должны бывальщины бы в долгой череде поколений безошибочно повторять видовую песенку. Значит ли это, что специфические особенности песенки вида закреплены генетически, так что птенцу остается лишь немного тренировки? Если последнее верно, то важны детали: какие свойства песни являются врожденными, а какие необходимо приобрести в ходе вокальных упражнений? Узнав такие детали, можно в принципе понять, как птенцы учатся петь, если кругом бесчисленные певцы разных видов и бесчисленные примеры для подражания, и какие районы 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 — перетащили совсем юных птенцов зебровых амадин в гнездо японских амадин. В итоге японские амадины воспитывали приемных птенцов, обучая их, как умели, своим песенкам. Всё это, удобопонятно, было затеяно для того, чтобы услышать песенки подрощенных приемышей: чьи же песни они будут распевать? Свои или своих приемных родителей? Песни у двух обликов различаются весьма заметно. Так же сильно они отличались и от песенок приемных питомцев (эти песенки можно послушать здесь).
Ученые анализировали два параметра, по каким различается рисунок песенки у этих двух видов, — длительность самих звуковых слогов и длительность интервалов между ними. Оба параметра имеют свой особый ударение. 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 — возле 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 открытым максимумом в 40 мс.
Выращенные приемыши воспроизвели промежуточный вариант песенки: по длительностям звуковых слогов их песенка напоминала трель приемного папу, а по длительностям промежутков между слогами — генетических родителей, каких они никогда не слышали. Иными словами, рисунок песни приемышей был заблаговременно размечен на жесткие интервалы, в пределах которых ученик всё же мог позволить себе певческие вольности, выучив чужеродное звучание. Важно отметить, что во вспомогательном эксперименте, где птенцы зебровых амадин воспитывались безголосыми мамами и обучались петь вообще без отца-наставника, руководствуясь лишь инстинктом, в песенке повторялось видоспецифичное распределение интервалов между слогами, а частоты и длительности самих трелей очутились очень изменчивыми.
Характеристики песенок японских амадин (слева), зебровых амадин (справа) и птенцов зебровых амадин, благовоспитанных японскими сородичами. Верхние графики показывают распределение длительностей беззвучных интервалов, нижний — длительность звуковых слогов. Видно, что воспитанники переняли звуковой комплект от приемных родителей, а рисунок промежутков между звуками — от генетических родителей. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science
Этот итог сам по себе замечательный — он раскрывает конкретные признаки, которые вытекает обсуждать в дискуссиях о становлении звуковой коммуникации. Ясно, что нет целиком наследственной песенки, как нет и полностью подхваченной извне. А есть какие-то конкретные параметры звуковых сигналов, какие наследуются, — в противовес тем, которые выучиваются. Но японская команда сделала еще одинешенек шаг в познании этого баланса «врожденное против выученного». Они выявили популяции нейронов, какие отвечали за эти конкретные характеристики песенки: звуковые слоги и беззвучные интервалы между ними.
Ученые работали по электрофизиологическим методикам, используя микроэлектроды, вживленные птицам — взрослым родителям и обученным птенцам — в район мозга, которая отвечает за распознавание песенок. Находящихся под наркозом птиц с вживленными микроэлектродами помещали в камеры со звукоизоляцией и подавали прослушать наборы песен, снимая сопутствующие показания с электродов. Песни для проигрывания бывальщины отобраны весьма хитроумно: это были песни своего облика, песни другого вида, песни своего вида, в каких промежутки между слогами оставлены прежними, а сами слоги заменены на белоснежный шум и, наоборот, в которых слоги оставлены без изменений, а промежутки между слогами сдвинуты. Четко, что был и контроль с белым шумом. Также птицам давали прослушивать серии единообразных слогов с определенными интервалами.
В результате кропотливой работы были выявлены два типа нейронов. «Высокочастотные» нейроны реагировали в основном на сигнал с видоспецифичными интервалами между слогами. Они одинаково активно срабатывали при предъявлении как песенок своего облика, так и песенок с белым шумом вместо характерных слогов. При изменении длительности интервалов между звуками эти нейроны возбуждались заметно меньше. Ученые предположили, что эти нейроны работают как штрих-код: если есть совпадения по сериям черных и белоснежных отрезков, значит предъявленный сигнал заслуживает внимания. «Низкочастотные» нейроны реагировали на специфические звуковые параметры: они не реагировали на предложенную песенку с белым гулом вместо звуковых слогов, зато сдвиг беззвучных интервалов на их труд практически не влиял.
По мнению ученых, кодировка беззвучных интервалов немало экономична по сравнению с кодировкой самих звуков. Действительно, у самого звука есть большое число разных параметров, которые можно варьировать и какие, следовательно, нужно кодировать в нейронных ответах. Если же адресоваться к промежуткам между звуками (звуковому рисунку), то потребуется закодировать лишь один параметр — наличие или отсутствие звука.
Такой подход мощно упростит и процедуру кодирования песни, и процедуру ее узнавания. Зато какой ширь для проявления индивидуальности! Кто знает, может птичьи песни помогут людям лучше постигнуть и природу своей собственной речи, то, как устроено ее распознавание в наших нейронных сетях. Мы ведь помним, что песнями пташек и человеческой речью управляют сходные нейронные и генетические агенты (см. Птичьи песни и человечья речь организуются за счет сходных генов, «Элементы, 22.12.2014).
