Mapowanie ptasich mózgów pomoże zrozumieć, w jaki sposób ptaki uczą się śpiewu
Sposób, w jaki ptaki śpiewające uczą się śpiewać, jest złożonym zachowaniem, wykazującym wiele podobieństw do sposobu, w jaki ludzie uczą się mowy i języka. Jednak nadal nie wiadomo, co dokładnie wtedy zachodzi. Zagadnienie to zbadano, zgłębiając zakamarki ptasich mózgów w ramach finansowanego przez UE projektu DESYNE. Projekt DESYNE miał na celu opisanie ultrastrukturalnych zmian zachodzących podczas nauki śpiewu w mózgu ptaków śpiewających. Skoncentrowano się na specyficznym obszarze kory przedruchowej mózgu ptaków śpiewających znanym jako region HVC(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Odgrywa on ważną rolę w procesie nauki melodii, gdyż jest zaangażowany zarówno w ich odbieranie, jak i odtwarzanie. Aby zrozumieć mechanizmy neuronalne związane z zapamiętywaniem melodii i następującym po tym wykształceniem melodii przez osobniki dorosłe, zespół projektu DESYNE mapował sieci połączeń synaps z obszarem HVC. Chodziło o to, by zbadać te połączenia i zrozumieć mechanizm procesu uczenia się melodii. Badania w ramach projektu przeprowadzono dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Z technicznego punktu widzenia badania obwodów neuronalnych u ptaków śpiewających są bardzo wymagające, dlatego duży nacisk został położony na rozwój metod umożliwiających takie doświadczenia. W rezultacie dzięki projektowi powstała niesamowita, nowatorska technologia badania dokładnej struktury i funkcji poszczególnych elementów obwodów podczas nauki wokalizy”, wyjaśnia Daniel Düring, profesor w Instytucie neuroinformatyki(odnośnik otworzy się w nowym oknie) na Uniwersytecie w Zurychu. Badania te mogłyby mieć również w przyszłości znaczący wpływ na ludzi. „Zważywszy na wiele podobieństw między rozwojem zdolności mowy u człowieka a nauką śpiewu u ptaków, uważamy, że spostrzeżenia na temat struktury obwodu neuronalnego będzie można generalizować i odnieść do ludzi. Mogą nam one także pomóc w lepszym zrozumieniu i opracowaniu strategii leczenia neuropatologii związanych z mową”, mówi Richard Hahnloser(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynator projektu DESYNE i profesor w Instytucie Neuroinformatyki.
Prosta melodia pociąga za sobą złożone zmiany w mózgu
Ptakami badanymi w ramach projektu były zeberki zwyczajne. „Melodia wyśpiewywane przez zeberki są dość proste i stereotypowe, a dzięki temu łatwiejsze do analizy niż melodie większości innych ptaków śpiewających. Podobnie jak niemowlęta, młode ptaki śpiewające uczą się kopiować swoją melodię od dorosłego nauczyciela”, dodaje Hahnloser. Aby odkryć i scharakteryzować zmiany strukturalne w mózgu ptaka niezbędne do nauki wokalizy, zespół porównał strukturę obszarów mózgu zaangażowanych zarówno w naukę, jak i w wyśpiewywanie melodii u ptaków, które albo miały możliwość słuchania melodii wyśpiewywanej przez nauczyciela, albo które nigdy nie usłyszały wzorca wokalnego.
Nowe narzędzia ujawniają tajemnicę uczenia się melodii przez ptaki
W celu zbadania struktury i funkcji poszczególnych elementów w sieci neuronów potrzebna jest metoda umożliwiająca wybiórczy dostęp do określonych typów komórek i ich identyfikację. Zwykle robi się to przy użyciu tzw. wektorów wirusowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), które do identyfikacji konkretnych komórek wykorzystują białka fluorescencyjne. Niestety, żaden z istniejących wektorów wirusowych nie nadawał się do wykorzystania u ptaków śpiewających, dlatego zespół projektu wytworzył własne wektory. „Dzięki temu projektowi oraz międzynarodowej współpracy między laboratoriami Politechniki Federalnej w Zurychu, Towarzystwem Maxa Plancka(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w Niemczech i Uniwersytetem Tokijskim(odnośnik otworzy się w nowym oknie) byliśmy w stanie zaprojektować taki wektor wirusowy dla ptaków śpiewających, który, jak sądzimy, pomoże wielu innym laboratoriom w badaniach obwodów neuronalnych u ptaków śpiewających z niespotykaną szczegółowością i dokładnością”, zauważa Düring.
Wektor dla przyszłych badań
Zespół wykorzystuje teraz swoje dzieło, aby rozwijać badania w nowych kierunkach. „Używamy naszego wektora wirusowego do badania rozwoju strukturalnego konkretnej klasy neuronów projekcyjnych, a mianowicie tych, które łączą odpowiedzialny za wokalizę przedruchowy obszar HVC z obszarem przodomózgowia znanym jako obszar X”, mówi Düring. Ponadto zespół doskonali opracowane technologie, starając się uwzględnić sygnały markerów synaptycznych podczas obrazowania dużych objętości tkanki mózgowej.
