Forskare vid UC San Francisco har visat hur den bengalesiska finkan, en tam sångfågel, kan lära sig att justera sin låt på specifika sätt beroende på sammanhang, som skulle kunna belysa hur den mänskliga hjärnan lär sig att tillämpa olika regler beroende på situationen, och har implikationer för att förstå mänskligt språk och rörelsestörningar.

Studien, publicerad 16 november, 2017, i Nervcell , visade att finkar byter från generiska till specifika versioner av sina låtar beroende på situationen de befinner sig i. Dessutom forskarna identifierade två distinkta områden i fåglarnas hjärnor dedikerade till denna inlärningsprocess:en region som kodar generaliserbara regler för att producera standardlåtar, och ett annat område som kan åsidosätta standardvägen för att producera olika ljud för olika sammanhang.

Det här är ungefär som hur din egen hjärna i barndomen lärde sig standardarmrörelsen för att nå och ta tag i ett föremål, men har sedan dess också lärt sig att justera kraften i din arm och grepp om din hand baserat på situationen - om, till exempel, du plockar upp en full kopp snarare än en tom.

"Vi ville förstå hur hjärnan balanserar behovet av att generalisera inlärning av rörelser i många sammanhang med behovet av att producera specialiserade rörelser i specifika sammanhang, sa Lucas Tian, en doktorand i Brainard-labbet vid UCSF och huvudförfattare till studien. "Denna tendens har visats hos människor under rörelse- och talanpassning, men de neurala mekanismerna för hur denna balans medieras är inte kända. Sångfåglar lär sig sjunga på ungefär samma sätt som människor lär sig att prata, så vi trodde att sångfågeln skulle vara ett riktigt bra modellsystem för att studera denna process."

Finkar lär sig att justera sång utifrån sammanhang

Neurobiologer som UCSF:s Michael Brainard, PhD, professor i fysiologi och psykologi och medlem av Weill Institute for Neurosciences vid UCSF och senior författare till den nya studien, har länge studerat fågelsång för vad den kan lära oss om hur den mänskliga hjärnan lär sig komplexa beteenden som språk, och hur samma hjärnsystem faller isär vid rörelsesjukdomar som Parkinsons sjukdom.

Ungefär som mänskligt språk, bofinksång består av sekvenser av "stavelser" - enheter av ljud som liknar musikaliska ackord - och lärs till en början av unga fåglar genom att efterlikna vuxna "lärare". Som vuxna, finkar sjunger för att locka kompisar, och kan fortfarande lära sig att anpassa sina låtar beroende på sammanhang – som om de uppträder eller övar. Brainards labb visade tidigare var i hjärnan finkar infogar feedback för att förbättra sina låtar, men det var fortfarande oklart hur finkar tillämpade dessa lektioner på specifika situationer.

I den nya studien, Tian och Brainard ville veta om fåglarna kunde lära sig att selektivt ändra tonhöjden för specifika stavelser i sina sånger beroende på sammanhang. För att träna finkar, forskarna spelade en skur av vitt brus när fåglarna sjöng en viss stavelse utanför ett tonhöjdsområde som forskarna bestämt. Fåglarna lärde sig snabbt att ändra tonhöjden för den stavelsen i sin sång för att undvika det obehagliga ljudet.

Träningen skedde först när finkarna sjöng målstavelsen i en viss sångsekvens. Dock, forskarna observerade att fåglarna också började justera tonhöjden för denna stavelse när den förekom i olika delar av deras sång, vilket tyder på att de generaliserade den nya regeln över sammanhang. Till exempel, fåglarna kunde tränas att höja tonhöjden för stavelse C i sekvensen A-B-C-D, men de kan också börja sjunga en högre stavelse C när de också sjunger D-B-C-A. Hur mycket fåglarna anpassade sin tonhöjd i nya sammanhang berodde på hur lik sekvensen var originallåten.

För att förstå om fåglar kan lära sig olika regler för olika situationer, forskarna utmanade sedan finkarna att modifiera samma stavelse i motsatta riktningar beroende på sammanhanget. Anmärkningsvärt, fåglarna lärde sig att skilja mellan sammanhang och varierade sina svar därefter. Till exempel, de lärde sig att sjunga C i ett lägre tonläge när stavelsen föregicks av ett B men i en högre tonhöjd när den föregicks av ett A.

"Denna typ av sofistikerad anpassning av lärande till olika sammanhang är mycket lik mänskligt tal, " sa Brainard. "Det är svårt att studera vad som händer i den mänskliga hjärnan under denna process, men vi kan fråga hur detta sammanhangsberoende lärande sker hos fåglar. Det finns tillräckligt med likheter i neurala strukturer mellan fåglar och däggdjur för att vi ska kunna tro att det vi lär oss hos fågeln kan tillämpas mer brett."

Två hjärnregioner styr regelbaserat och kontextberoende lärande

Det finns två hjärnregioner i bofinken som är avgörande för sånginlärning och produktion:sångmotorvägen, som krävs för att producera ljud, och den främre framhjärnans väg (AFP), en verkställande funktionskrets som är involverad i att lära sig och modifiera sånger.

Genom att kemiskt blockera AFP medan fåglarna lärde sig att ändra sin tonhöjd, forskarna kunde analysera de två regionernas specifika funktioner under inlärning. De upptäckte att aktivering i AFP var nödvändig för att finkar skulle lära sig att modifiera sin tonhöjd i ett specifikt sammanhang. AFP kände igen när målstavelsen inträffade i rätt sekvens och kommunicerade till motorvägen att den skulle ändra stavelsens tonhöjd. Utan specifika instruktioner, motorvägen började sedan införliva och generalisera denna regel till andra sammanhang, ibland justerar stavelse tonhöjd för andra låtar. Ju mer feedback motorbanan fick för att ändra tonhöjden, desto mer tillförlitligt gjorde den det i olika sammanhang.

Dock, när fåglarna lärde sig att ändra sin stigning i två riktningar för två olika sammanhang, motorvägen kunde inte härleda och generalisera en enda regel. Följaktligen, AFP var tvungen att förbli aktiv för att tala om för motorvägen när och hur tonhöjden skulle ändras.

"Den här sångvägen är mycket smartare och mer flexibel än vi ursprungligen trodde, " sa Tian. "Det är inte bara obligatoriskt att producera en stavelse. Den har tillgång till information om hur man ändrar en uppgift beroende på det större sammanhanget."