Im Gehirn der Vögel wurde ein Mechanismus entdeckt, der das Umlernen des Gelernten verhindert • Alexander Markov • Wissenschaftsnachrichten zu den "Elementen" • Neurobiologie, Ornithologie

Im Gehirn der Vögel wurde ein Mechanismus gefunden, der das Gelernte nicht weiterbilden kann

Abb. 1. Ein erwachsener Mann der Zebras lehrt den jungen Mann, richtig zu singen. Ein Bild aus dem Video, das dem Artikel beigefügt istWissenschaft

Amerikanische Neurowissenschaftler haben einen Mechanismus entdeckt, der es den Zebrabären nicht erlaubt, jene Elemente des Liedes neu zu trainieren, die sie bereits gelernt haben. Eine Schlüsselrolle beim Lernen des Singens spielen die prämotorischen Neuronen des oberen Stimmzentrums (HVC), die aktiv mit jungen Männern ("Studenten") arbeiten, während sie dem Lied eines erwachsenen Mannes ("Lehrer") lauschen. Bei erwachsenen Männern reagieren diese Neuronen nicht mehr auf die Geräusche der Lieder anderer Leute. Wie sich jedoch herausstellte, liegt der Punkt hier nicht so sehr im Alter, sondern in der Ebene der Stimmfähigkeiten des Schülers und in der aktiven Hemmung der Arbeit von prämotorischen HVC-Neuronen durch andere Neuronen derselben Hirnregion. HVC-Abfangneuronen senden inhibitorische Signale an prämotorische Neuronen, wenn sie jene Elemente des Lehrliedes spielen, die der Schüler bereits gut spielen kann, und tun dies nicht, wenn der Triller vom Schüler noch nicht beherrscht wird. Wenn Säugetiere auch ähnliche Mechanismen haben, dann könnte diese Entdeckung in der Zukunft ermöglichen, zu lernen, die Trägheit des Denkens zu überwinden.

Zebra-Strahlen sind ein bequemes Objekt für das Studium von neurologischen Lernmechanismen. Die Männchen dieser Vögel lernen in ihrer Jugend aktiv zu singen und lauschen dem Gesang ihrer Ältesten (Abb. 1). Den Wissenschaftlern ist es bereits gelungen, die Schlüsselstellen des Gehirns zu identifizieren, die an diesem Prozess beteiligt sind. Es wird gezeigt, dass für ein erfolgreiches Lernen die Arbeit von prämotorischen Neuronen des oberen Stimmzentrums (HVC) notwendig ist. Diese Neuronen empfangen Signale von den auditorischen Teilen des Gehirns und senden Nervenimpulse an den Kern des Arcopallium (robuster Kern von Arcopallium, RA); Reis 2

Abb. 2 Die Abteilungen des Vogelhirns beteiligten sich daran, es zu singen und zu unterrichten. In dem Artikel zur Diskussion in Wissenschaft Zwei der in dem Diagramm gezeigten Abteilungen werden betrachtet: das "obere Vokalzentrum" () und der Kern des Arcopallium (robuster Kern von Arcopallium, RA). Schema aus dem Artikel: F. Nottebohm, 2005. Die neuronalen Grundlagen des Vogelgesangs

In Experimenten mit Vögeln unter Anästhesie wurde gezeigt, dass die prämotorischen Neuronen des männlichen HVC reagieren, indem sie Aktionspotentiale zum Singen anderer Männchen erzeugen. Wenn Sie die Arbeit dieser Neuronen blockieren, wird das junge Männchen nicht lernen zu singen.

In einer neuen Studie, deren Ergebnisse in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift veröffentlicht werden WissenschaftAmerikanische Neurowissenschaftler entdeckten bisher unbekannte Details des Lernprozesses.Dieses Mal wurden die Experimente mit wachen Männchen durchgeführt, die sorgfältig fixiert wurden, so dass sie sich während des Experiments nicht bewegen konnten. Durch winzige Löcher im Schädel wurden Mikroelektroden in Vögel in den prämotorischen Neuronen von HVC implantiert, deren Axone an RA gehen. Dies ermöglichte, einerseits die Aktivität dieser Neuronen selbst zu überwachen (die von ihnen erzeugten Aktionspotentiale, dh die "Ausgangssignale" von der HVC an die RA wurden aufgezeichnet), und zweitens die Eingangssignale von anderen Neuronen, die sie empfangen. Solche Signale sind von zwei Arten: stimulierend und hemmend. Sie führen zur Entdeckung bestimmter Ionenkanäle in der Neuronenmembran und zum Auftreten von elektrischen Strömen (Ionenflüssen), die entweder die Polarisation der Membran schwächen oder verstärken, was wiederum die Wahrscheinlichkeit erhöht oder verringert, dass ein Neuron Potential erzeugen wird Aktion.

Zunächst haben die Autoren untersucht, wie die prämotorischen HMV-Neuronen von Männern unterschiedlichen Alters auf das Lied eines erwachsenen Mannes reagieren. Es stellte sich heraus, dass diese Neuronen bei jungen Zuhörern auf den Klang des Liedes reagieren, bei Erwachsenen dagegen nicht. Darüber hinaus "schossen" sie bei jungen Männchen bei wiederholten Anhörungen immer wieder in exakt definierten Momenten, die diesen oder anderen Elementen des Liedes entsprechen.Auch RA-Neuronen, die Signale von HVC erhielten, reagierten darauf durch Erzeugung von Nervenimpulsen. Offensichtlich ist diese Aktivität die Grundlage des Lernens.

Jetzt war es notwendig herauszufinden, warum bei erwachsenen Männern die prämotorischen Neuronen des HVC nicht auf den Klang eines anderen Songs reagieren. Vielleicht hören sie auf, Signale von den Hörzentren zu empfangen? Diese Annahme wurde jedoch nicht bestätigt: Messungen exzitatorischer postsynaptischer Ströme (exzitatorische Ströme) zeigten, dass exzitatorische Signale beim Klang eines Liedes bei allen Männchen unabhängig vom Alter regelmäßig auf HVC prämotorische Neurone gelangen.

Warum reagieren Neuronen bei erwachsenen Männern nicht mehr auf diese Signale? Es ist logisch anzunehmen, dass eine aktive Bremsung vorliegt. Dies wurde durch die Tatsache gestützt, dass es auf den ersten Blick den diskutierten Ergebnissen widersprach, dass früher in Experimenten an Vögeln in Anästhesie gezeigt wurde, dass der Klang des Liedes die Reaktion von HVC-prämotorischen Neuronen auch bei erwachsenen Männchen auslöst. Die Autoren stellten fest, dass das Anästhetikum, das verwendet wurde, um Vögel in diesen Experimenten, Urethan (siehe Ethylcarbamat) schlafen zu lassen, die Übertragung von inhibitorischen Signalen im Gehirn verhindert und die Arbeit des wichtigsten inhibitorischen Neurotransmitters GABA blockiert.

Um die Hypothese der Hemmung zu testen, führten die Autoren in die HVC erwachsener Männer eine Substanz ein, die die GABA-Rezeptoren Gabazin blockiert und prüften, wie die prämotorischen HVC-Neuronen auf den Klang des Liedes reagieren werden. Die Annahme wurde bestätigt: Nach dieser Prozedur reagierten Neuronen bei erwachsenen Männern auf das Lied in der gleichen Weise wie bei jungen.

Somit hängt die Antwort von prämotorischen HVC-Neuronen auf den Klang eines Liedes (und damit des Lernprozesses) nicht von den exzitatorischen Signalen ab, die von den Hörzentren kommen (diese Signale kommen überhaupt), sondern von der Anwesenheit oder Abwesenheit von inhibitorischen Signalen.

Weitere Experimente zeigten, dass die Quelle dieser inhibitorischen Signale interkalierte Neuronen der gleichen Hirnregion (HVC) sind. Sicher, das Gesamtbild ihrer Reaktion auf den Klang des Liedes stellte sich als kompliziert und verwirrend heraus, und mit dem Alter des Vogels ist es nicht verbunden (zumindest nicht direkt, auf eine einfache und offensichtliche Weise).

Aber die Autoren fanden in diesem Chaos noch ein wichtiges Muster. Sie argumentierten, dass das Gefühl der Hemmung darin bestehen könnte, mit dem Training aufzuhören, wenn das Männchen bereits gelernt hat, gut genug zu singen.Am Ende kannst du deine neuralen Schaltkreise nicht für immer neu aufbauen und jedes Mal neu lernen, wenn du das Lied des neuen Nachbarn hörst. Wenn die Fähigkeit bereits erworben und auf ein akzeptables Maß an Effektivität gebracht wurde, dann sollte sie behoben werden und nicht mehr berühren. Vielleicht verengt das die Horizonte und macht Ihr Denken etwas träge, aber es garantiert die Bewahrung des erworbenen Wissens.

Um diese Annahme zu testen, verglichen die Autoren die Arbeit von HVC-Intercalar-Neuronen beim Klang eines Liedes mit der Gesangsfertigkeit des Zuhörers. Die Hypothese wurde glänzend bestätigt. Es stellte sich heraus, dass die Intensität der Reaktion von HVC-Intercalar-Neuronen auf den Klang des Liedes sowie der Grad der Übereinstimmung der Impulse mit bestimmten Elementen des Liedes, je höher desto besser reproduziert das Männchen das Lied des Lehrers.

Wenn der Mann also bereits gelernt hat, genau als Lehrer zu singen, senden die HVC-Neuronen bei den Klängen dieses Liedes hemmende Signale an die prämotorischen Neuronen und reagieren daher nicht auf den Ton, obwohl sie immer noch stimulierende Signale von den auditorischen Teilen des Gehirns erhalten. Infolgedessen lernen die Männchen, die bereits gut singen können, diese Kunst nicht mehr.

Das männliche zebrovaya-Männersong besteht aus mehreren verschiedenen Elementen – "Silben".Gleichzeitig lehren die Männchen nicht das ganze Lied als Ganzes, das eins und unteilbar ist, aber sie reißen die Silben der Reihe nach lang und polieren jede Silbe. Da beobachtet wurde, dass die Reaktion vieler HVC-Neuronen (sowohl prämotorischer als auch interkalarer Art) auf streng definierte Stellen des zu hörenden Liedes beschränkt ist, schlugen die Autoren vor, dass die Hemmung selektiv sein kann: Die bereits erlernten Triller stimulieren die Aktivität der interkalaren Neuronen und diejenigen, die noch nicht beherrscht sind, unterdrücken sie.

Um dies zu überprüfen, wurden die Aufnahmen von zwei künstlichen Liedern gemacht, die aus einer oder zwei Silben zusammengesetzt waren (sie wurden konventionell als A und B bezeichnet), geschnitten aus dem echten Lied. Das erste künstliche Lied hatte die Form AAAA, das zweite – ABAB. Untrainierte junge Männer wurden zuerst gegeben, um das erste Lied zu hören. Als Ergebnis wurden sie trainiert, Silbe A zu reproduzieren, und Silbe B blieb ihnen unbekannt. Dann verloren sie das zweite Lied und registrierten die Arbeit der Neuronen beim Zuhören. Die Ergebnisse sind in Abb. 3

Abb. 3 Die Ergebnisse des Experiments mit künstlichen Liedern von zwei Silben. A – Ausbildungssystem Zuerst wird ein untrainierter Mann viele Male ein Lied gescrollt, das nur aus Silbe A besteht (Tutor 1). Als Ergebnis lernt der Schüler diese Silbe.Dann beginnt das Lernen mit dem zweiten Lied, bestehend aus abwechselnden Silben A und B (Tutor 2). Zuerst reproduzieren Schüler die Silben A gut und schlecht Silbe B und beginnen dann, beide Silben gut zu reproduzieren. In verschiedenen Phasen des Lernens wurde die Arbeit von Neuronen aufgezeichnet, während ein Lied angehört wurde. B – Tonaufzeichnungen der Leistung der Silben A und B durch einen Lehrer (Tutor) und einen Schüler (Schüler) in der ersten Stufe des Trainings, wenn die erste Silbe bereits gelernt ist und die zweite noch nicht. C – eine Grafik, die die Ähnlichkeit der Silben A und B wiedergibt, die vom Lehrer und dem Schüler in der ersten Stufe des Trainings durchgeführt wurden. D, E – das gleiche für die zweite Stufe des Trainings, wenn der Schüler bereits beide Silben gut ausführen kann. F – Aktivität von HVC-Intercalar-Neuronen im Gehirn eines Schülers in der ersten Lernstufe beim Hören des Songs "ABAB". Man kann sehen, dass die Intercalarneuronen ihre Arbeit scharf verstärken, wenn die Silbe A. bereits von den Studentenlauten gelernt hat. H – das Verhältnis der Aktivität von Interkalaren im Ton der Silben A und B. Schwarzer Kreis entspricht einem Neuron, dessen Arbeit in der Figur gezeigt ist F. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Wissenschaft

Wie zu erwarten war, nahm die Aktivität der eingeführten HVC-Neuronen während des Ertönens der bereits gemasterten Silbe A stark zu, und die Arbeit der prämotorischen Neuronen wurde inhibiert.Wenn die unbekannte Silbe B ertönte, wurde das entgegengesetzte Bild beobachtet: Die Aktivität der interkalaren Neuronen nahm ab, während sich die vormotorischen verstärkten. Als die Schüler die Silbe B lernten, wurde die Aktivität der Neuronen beim Klang beider Silben gleich.

Somit wissen HVC-Interkalarneuronen von irgendwo (von wo noch nicht bekannt ist) welche Elemente des Liedes bereits gelernt wurden und welche nicht, und wenn die Silben gelernt haben, erzeugen sie Impulse, die die Aktivität von HVC-prämotorischen Neuronen inhibieren. Dadurch wird der Lernprozess blockiert. Wenn eine Silbe, die noch nicht erlernt wurde, klingt, verringern intercalare Neuronen ihre Aktivität, und dann reagieren prämotorische Neuronen auf den Klang, indem sie Nervenimpulse erzeugen, die zum Kern eines Arkopallium (RA) übertragen werden, und dadurch lernt das Männchen eine neue Silbe.

Natürlich gibt es viele ungelöste Probleme. Es ist nicht bekannt, woher intercalare Neuronen Informationen darüber erhalten, ob eine gegebene Silbe gelernt wurde oder nicht. Es ist nicht bekannt, wie viele verschiedene Silben das Männchen lernen sollte und wie schwierig sein Lied sein sollte, um neue Silben zu lernen. Es ist nicht bekannt, ob die am Singen beteiligten HVC- und RA-Neuronen auch am Gesang selbst beteiligt sind (dies wird in Analogie zu den Spiegelneuronen der prämotorischen und motorischen Areale des Säugerkortex vermutet, ist aber nicht belegt).Es ist nicht bekannt, wie weit verbreitet in der Tierwelt der Mechanismus der Hemmung der für das Lernen verantwortlichen Neuronen ist, der in Zebra Hornbills gefunden wurde. Darüber hinaus reagieren die prämotorischen Neuronen des HVC bei erwachsenen, erwachenden Männern nicht mehr auf die Geräusche eines anderen Liedes, selbst wenn der Zuhörer das Singen nicht gelernt hat, und es ist auch nicht bekannt, warum dies geschieht.

Die Fülle der unbeantworteten Fragen beeinträchtigt nicht die Bedeutung der besprochenen Arbeit. Etwas deutet darauf hin, dass der erstaunliche Mechanismus des "ein für allemal", der von den Autoren gefunden wurde, zusammen mit der aktiven Ablehnung von Umschulungsversuchen nicht nur in den Vereinigten Staaten besteht. Und dann können wir hoffen, dass die Entdeckung dieses Mechanismus und sein weiteres Studium uns eines Tages erlauben werden, zu lernen, wie wir die Trägheit unseres eigenen Denkens regulieren können. Bei den Eingeborenen ist es, wie wir gesehen haben, sehr einfach: Sie müssen nur ein wenig Gabazin in einen genau definierten Punkt des Gehirns einfügen. Natürlich hat noch niemand die Nebenwirkungen dieses Verfahrens untersucht.

Quelle: Daniela Vallentin, Georg Kösche, Dina Lipkind, Michael A. Long. Zebrafinken Wissenschaft. 2016. V. 351. P. 267-271.

Siehe auch über Zebroflossen:
1) Die freie Wahl eines Partners in Faddys trägt zum Überleben der Nachkommen bei, "Elements", 22.09.2015.
2) Warum singen Vögel nicht immer laut?, "Elemente", 24.07.2015.
3) Vögel tarnen die Nester, wählen das Material der passenden Farbe, "die Elemente", 04/10/2015.

Alexander Markow


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