Sebrafinker er så flinke til å synge, de kunne gjøre det i søvne. Og ifølge forskere gjør de alt annet enn: Når de slummer, fyrer sebrafinker opp hjerneområder og vibrerer stemmebåndene sine på måter som etterligner våken krangel.
Relatert innhold
- Søvn-læring var en myte, men du kunne styrke minnene mens du snooze
- Dette er din hjerne på favorittlåten din
I løpet av de siste to tiårene har forskere funnet ut at søvn er en kritisk del av sebra-finch-sang-læringsrepertoaret. Finkene er ikke født med arrier; i stedet lærer de sangene sine i ungdomstiden, øver og tisser under tilsyn av en voksenlærer. Veilederen vil krangle tålmodig for studentene sine, som deretter ytrer sine egne tentative vokaliseringer. Å høre sine egne stemmer ser ut til å være et avgjørende element for små sebrafinker når de tester notene og stavelsene ut for seg selv.
Visstnok gjør praksis perfekt - men enda mer avgjørende? En god natts søvn.
Etter en hard dag på skolen går hver sebrafink til sengs med musikk på hodet - så mye at hjernen vil flimre inn og ut av de samme mønstrene som oppstår under daglige treningsøkter. Stemmebåndene vibrerer også, men gir ikke lyd: Fuglene skyver ikke nok luft gjennom halsen til å generere hørbar støy.
Forskere teoretiserer at fuglene faktisk drømmer om sang - mer søvn leppesynkronisering enn søvnsang. Dette kan ha mye å gjøre med å krystallisere og omforme materiale som er lært av lærerne deres - et fenomen som kan sammenlignes med å slumre mennesker som pakker minner og informasjon til langtidslagring. Om morgenen våkner finkene grovt og desorientert, babler litt mindre sammenhengende enn dagen før - men etter hvert som tiden går forbedrer sangene deres.
Forskere tror at å studere hvordan fuglene bruker søvn for å lære sangene sine, kan hjelpe oss å forstå den mystiske prosessen med menneskelig språkinnsamling. I likhet med menneskelig tale, er melodiene til fuglesang intrikate og sammensatte, og aktiverer til og med hjerneveier og muskler som er veldig lik dem hos mennesker.
"Jeg hadde denne vanvittige drømmen i går, men jeg glemte å skrive den ned." (Flickr / Cathy) Men å studere drømmebildet til en søvnig sebrafink er ingen enkel bragd: Det er ikke som om vi kan dytte fuglene våkne og spørre. For bedre å forstå den indre virkningen av disse døsige fuglehinnene, bestemte Gabriel Mindlins forskergruppe ved Universitetet i Buenos Aires å gå et skritt videre i kjeden av musikalsk kommando. Hjerner kontrollerer atferd, men det er en muscley mellommann mellom de to. For å oversette mønsteret i hjernen til en fullblåst serenade, trenger et fugles vokale organ først å utføre marsjeringsordrene. Sammen med kollegene designet Mindlin, en professor i biofysikk som studerer mekanikken til fuglesang, et system for å direkte måle aktiviteten til de involverte musklene.
I tidligere arbeid fant forskerteamet hans, i samarbeid med forskere ved University of Utah, at sebrafinker beveger vokalmusklene sine i synk med sanglignende aktivitet i hjernen, noe som indikerer at musklenes avlesning kan være en god prosess for kikking inn i fuglenes melodiske ærbødigheter.
"I stedet for å se på en [hjerne] -celle om gangen, kan vi se resultatet fra hele systemet, og det er veldig spennende, " sier Daniel Margoliash, professor i nevrobiologi ved University of Chicago som har studert fuglesang i over tre tiår. Margoliash har tidligere samarbeidet med Mindlins gruppe, men var ikke involvert i disse studiene.
Studien fant også at søvn ikke bare var en tid til å øve på - det kan også gi fuglene en sjanse til å stille improvisere nye melodier. Fuglenes vokale muskler ser ut til å gå litt på fritz om natten, og komponerer lydløse sanger som ikke holder seg til dagens skrifter. Denne nye forskningen var i stand til å fange variasjoner som tidligere studier av hjernen ikke kunne, og antyder at det musikalske sinnet slynger seg når sebrafinker nikker av.
For Mindlin var dette enormt. "Nå har vi en modell som ikke trenger hjernen, " sier han.
Forrige uke, i to nye studier, utvider Mindlins gruppe forskningen sin. Begge studiene fokuserer på måten forskere studerer finkenes vokalmuskulatur, i håp om å låse opp flere hemmeligheter for den sovende fuglehinnen.
For det første ønsket forskere ledet av Juan Doppler, en fysiker som arbeidet under Mindlins tilsyn, å gjøre det lettere å studere fuglenes muskler. Å fokusere på musklene kan være en mer direkte måte å fange opp mekanikkene i serenader av snoozing - men det er fortsatt ikke lett. Voksne sebrafinker må gjennomgå kirurgi for å la forskere feste elektroder til flere muskler.
Selv om disse musklene forstås for å direkte kontrollere individuelle aspekter ved sangproduksjon - for eksempel tonehøyde på lyden som produseres - trenger de også å samarbeide. Flere er fysisk tilkoblet, inkludert en spesielt viktig muskel kalt syringealis ventralis, som er kjent for å kontrollere en sangs frekvens.
Teamet fant at måling av aktiviteten til syringealis ventralis alene på en pålitelig måte kunne fange dynamikken til fuglesangballader nesten like nøyaktig som den gamle teknikken for å måle flere muskler. Som forventet inneholdt muskelens aktivitet informasjon om frekvens, men kunne også forutsi når musikalske motiver startet og stoppet med over 70 prosent nøyaktighet.
"Vi beveger oss bort fra å fokusere helt på hjernen og nevronene, og også ta hensyn til biomekanikk, der informasjonen om nervesystemet blir behandlet, " sier Doppler. “Dette er en kraftfull idé. I noen tilfeller kan du se på biomekanikken gi deg innsikt som ikke er så tydelig i nervesystemet. ”
Med Dopplers enklere system, beskrevet i tidsskriftet Chaos, kan forskerne lettere studere fuglenes drømmesanger; I tillegg kan det å forstå mekanikken til denne kraftige muskelen også informere om hvordan vokalsystemet fungerer som en funksjonell enhet.
"Egenskapene til muskelen blør virkelig gjennom, " sier Katherine Tschida, en nevrobiolog ved Duke University som har studert sanglæring i sebrafink. "Du kan få en avlesning fra en enkelt muskel [på] mange forskjellige funksjoner, til tross for at muskelen ikke først og fremst er den funksjonelle driveren for systemet." Tschida, som ikke var involvert i arbeidet, berømmet også studere for sin "høykvalitets" metodikk.
Dette diagrammet viser aktiveringen av sprøytemuskulatur i en fink under sang (over) og om natten (grå, nedenfor). (Young et al., I PeerJ (2017)) I den andre studien fant et team ledet av Alan Bush, også en fysiker i Mindlins gruppe, at de kunne manipulere fuglene til å bøye vokalmusklene sine ved å spille dem versjoner av sine egne sanger mens de sov - en form for harmonisk hypnose. Bush var ivrig etter å studere mønstrene for hvordan muskler faktisk fyrte av i søvn. For ham er ikke vokalorganet bare en marionett som utfører hjernens sett med masterinstruksjoner - det er snarere en kreativ forbindelse mellom hjerne og oppførsel som kan legge til egne klokker og fløyter til sluttproduktet. "Mye av kompleksiteten i systemet kommer faktisk fra periferien, der musklene er, " forklarer han.
Bush og kollegene oppdaget at når musklene koxiseres til aktivitet, oppfører de seg på en alt-eller-ingenting måte. Når spilt utstykker av seg selv som triller ut melodier, ville fuglenes muskler pålitelig rykke. Selv syntetiske versjoner av disse sangene, remikset i laboratoriet, kan noen ganger få fram orgelresponser. Ofte var musklene fremdeles - men når de ble overført til bøyning, ville de utføre den fullstendige avfyringssekvensen for en vokalisering.
Forskerne sier at denne kunnskapen åpner for nye måter å studere hvordan musikalsk muskulatur blir ansporet til handling.
På grunn av operasjonens invasivitet har Mindlin og teamet hans bare vært i stand til å teste muskelresponsene til voksne sebrafinker. Framtidige eksperimenter med mer avansert teknologi kan imidlertid belyse unge fuglers drømmetilstander. Slike funn kan bekrefte tidligere forskning på hvordan ungdommelig sebrafink leker med lærerens læresetning og tilfører sine egne personlige innslag under søvn. Men hvilket formål kan dette tjene hos voksne, som allerede har mestret melodiene sine?
Margoliash mener det handler om å opprettholde kompetanse. "Hvis du vil oppnå et veldig høyt presisjonsnivå, må du jobbe for å komme dit, og øve på å bli der, " forklarer han. "Sebrafinker - og mennesker - trenger å øve for å opprettholde kvaliteten på ytelsen vi oppnår."
En dag, med de kombinerte kreftene fra nevrovitenskap og biofysikk, kan forskere faktisk være i stand til å ta et dypere dykk i sangene til søvn. Teknologi har ikke helt fanget opp oppgaven, men den blir kraftigere med hver dag som går. Inntil da? Drøm videre.
