Onderzoekers van UC San Francisco hebben laten zien hoe de Bengaalse vink, een gedomesticeerde zangvogel, kan leren om zijn nummer op specifieke manieren te tweaken, afhankelijk van de context, die licht zou kunnen werpen op hoe het menselijk brein leert om verschillende regels toe te passen, afhankelijk van de situatie, en hebben implicaties voor het begrijpen van menselijke taal- en bewegingsstoornissen.

De studie, gepubliceerd op 16 november 2017, in neuron , toonde aan dat vinken overschakelen van generieke naar specifieke versies van hun liedjes, afhankelijk van de situatie waarin ze zich bevinden. Bovendien de onderzoekers identificeerden twee verschillende gebieden in de hersenen van vogels die aan dit leerproces zijn gewijd:een regio die generaliseerbare regels codeert om standaardliedjes te produceren, en een ander gebied dat het standaardpad kan overschrijven om verschillende geluiden voor verschillende contexten te produceren.

Dit lijkt veel op hoe je eigen hersenen in de kindertijd de standaard armbeweging leerden om een ​​object te bereiken en vast te pakken, maar heeft sindsdien ook geleerd om de kracht van je arm en greep van je hand aan te passen aan de situatie - als, bijvoorbeeld, je pakt een volle beker in plaats van een lege.

"We wilden begrijpen hoe de hersenen de noodzaak om het leren van bewegingen in vele contexten te generaliseren in evenwicht brengen met de noodzaak om gespecialiseerde bewegingen in specifieke contexten te produceren, " zei Lucas Tian, een promovendus in het Brainard-lab bij UCSF en hoofdauteur van het onderzoek. "Deze tendens is aangetoond bij mensen tijdens beweging en spraakaanpassing, maar de neurale mechanismen voor hoe dit evenwicht wordt gemedieerd, zijn niet bekend. Zangvogels leren zingen op ongeveer dezelfde manier als mensen leren praten, dus we dachten dat de zangvogel een heel mooi modelsysteem zou zijn om dit proces te bestuderen."

Vinken leren het lied aan te passen op basis van context

Neurobiologen zoals Michael Brainard van UCSF, doctoraat, hoogleraar fysiologie en psychologie en lid van het Weill Institute for Neurosciences bij UCSF en senior auteur van de nieuwe studie, hebben lang vogelgezang bestudeerd voor wat het ons kan leren over hoe het menselijk brein complex gedrag leert, zoals taal, en hoe dezelfde hersensystemen uit elkaar vallen bij bewegingsziekten zoals de ziekte van Parkinson.

Net als menselijke taal, vinkenzang bestaat uit reeksen 'lettergrepen' - klankeenheden die lijken op muziekakkoorden - en wordt in eerste instantie door jonge vogels geleerd door volwassen 'leraren' na te bootsen. Als volwassenen, vinken zingen om partners aan te trekken, en kunnen nog steeds leren om hun liedjes aan te passen aan de context, zoals of ze optreden of oefenen. Brainard's lab liet eerder zien waar in de hersenen vinken feedback opnemen om hun liedjes te verbeteren, maar het was nog onduidelijk hoe vinken deze lessen toepasten op specifieke situaties.

In de nieuwe studie Tian en Brainard wilden weten of de vogels konden leren om selectief de toonhoogte van specifieke lettergrepen in hun liedjes te veranderen, afhankelijk van de context. Om de vinken te trainen, de onderzoekers speelden een uitbarsting van witte ruis toen de vogels een bepaalde lettergreep zongen buiten een door de onderzoekers ingesteld toonhoogtebereik. De vogels leerden snel de toonhoogte van die lettergreep in hun lied te verschuiven om het onaangename geluid te vermijden.

De training vond alleen plaats als de vinken de doellettergreep zongen in een bepaalde liedvolgorde. Echter, de onderzoekers merkten op dat de vogels ook de toonhoogte van deze lettergreep begonnen aan te passen wanneer deze ook in verschillende delen van hun lied voorkwam, wat suggereert dat ze de nieuwe regel over verschillende contexten hebben gegeneraliseerd. Bijvoorbeeld, de vogels kunnen worden getraind om de toonhoogte van lettergreep C te verhogen in de volgorde A-B-C-D, maar ze kunnen ook beginnen met het zingen van een hogere lettergreep C als ze ook D-B-C-A zingen. Hoeveel de vogels hun toonhoogte in nieuwe contexten aanpasten, hing af van hoe vergelijkbaar de volgorde was met het originele lied.

Om te begrijpen of vogels verschillende regels kunnen leren voor verschillende situaties, de onderzoekers daagden vervolgens de vinken uit om dezelfde lettergreep in tegengestelde richtingen te wijzigen, afhankelijk van de context. Opmerkelijk, de vogels leerden onderscheid te maken tussen contexten en varieerden hun reacties dienovereenkomstig. Bijvoorbeeld, ze leerden C in een lagere toonhoogte te zingen als de lettergreep werd voorafgegaan door een B, maar in een hogere toonhoogte als deze werd voorafgegaan door een A.

"Dit soort geavanceerde aanpassing van leren aan verschillende contexten lijkt erg op menselijke spraak, "zei Brainard. "Het is moeilijk om te bestuderen wat er tijdens dit proces in het menselijk brein gebeurt, maar we kunnen ons afvragen hoe dit contextafhankelijke leren bij vogels gebeurt. Er is genoeg overeenkomst in neurale structuren tussen vogels en zoogdieren om ons in staat te stellen te denken dat wat we in de vogel leren misschien breder van toepassing is."

Twee hersengebieden regelen op regels gebaseerd en contextafhankelijk leren

Er zijn twee hersengebieden in de vink die cruciaal zijn voor het leren en produceren van zang:het zangmotorische pad, die nodig is om de geluiden te produceren, en de anterieure voorhersenenroute (AFP), een uitvoerend functiecircuit dat betrokken is bij het leren en wijzigen van liedjes.

Door de AFP chemisch te blokkeren terwijl de vogels leerden hun toonhoogte te veranderen, de onderzoekers konden tijdens het leren de specifieke functies van de twee regio's ontleden. Ze ontdekten dat activering in de AFP nodig was voor vinken om te leren hun standplaats in een specifieke context aan te passen. De AFP herkende wanneer de doellettergreep in de juiste volgorde voorkwam en communiceerde naar de motorroute dat het de toonhoogte van de lettergreep moest veranderen. Zonder specifieke instructies, het motorische pad begon deze regel vervolgens op te nemen en te generaliseren naar andere contexten, soms de toonhoogte van lettergrepen aanpassen voor andere nummers. Hoe meer feedback de motorroute ontving om de toonhoogte aan te passen, des te betrouwbaarder het deed dit in verschillende contexten.

Echter, toen de vogels leerden hun toonhoogte in twee richtingen aan te passen voor twee verschillende contexten, de motorische weg kon geen enkele regel afleiden en generaliseren. Bijgevolg, de AFP moest actief blijven om de motorweg te vertellen wanneer en hoe de toonhoogte moest worden aangepast.

"Dit liedpad is een stuk slimmer en flexibeler dan we aanvankelijk dachten, "zei Tian. "Het is niet alleen verplicht een lettergreep te produceren. Het heeft toegang tot informatie over het aanpassen van een taak, afhankelijk van de grotere context."