Het prachtige geluid van vogelgezang dat uit de bomen komt, is een prachtig voorbeeld van hoeveel de natuur ons nog kan leren, zelfs zoveel over hun oorsprong is ons nog steeds mysterieus. Ongeveer 40 procent van de vogelsoorten leert vocaliseren wanneer ze worden blootgesteld aan een leraar, een gedrag dat van belang is voor veel neurologen en neurobiologen. De overige 60 procent kan instinctief in isolement vocaliseren. De variëteit tussen soorten, en de relatie tussen het zenuwstelsel en de biomechanica maakt de productie van vogelgezang een complex proces om te ontrafelen en te begrijpen.

Natuurkundige Gabriel Mindlin, van de Universiteit van Buenos Aires in Argentinië, heeft naar de verschijnselen gekeken vanuit wat een van de meest verenigende en potentieel verhelderende perspectieven van de kwestie is:de dynamische fysica van de stemorganen van vogels. In zijn recente, grondige herziening van het onderwerp, deze week gepubliceerd in het tijdschrift Chaos , hij onderzoekt de rol van fundamentele natuurkundige eigenschappen in de akoestische complexiteit van vogelgezang, en de relatie die ze hebben met neurale instructies voor hun productie.

"Mijn belangrijkste vraag was:welk deel van dit complexe fenomeen, dit complexe gedrag, is te wijten aan de fysica en de biomechanismen die [zijn] betrokken, en hoeveel te wijten is aan de specifieke neurale structuren die het beheersen, "Zei Mindlin. "Mijn achtergrond is niet-lineaire dynamiek; daarom, Ik was bereid te accepteren dat veel van de complexiteit van het gedrag kon worden geassocieerd met het feit dat het vocale apparaat een niet-lineair apparaat was en daarom zelfs met eenvoudige parameters, je zou complex gedrag kunnen beschrijven."

Voortbouwend op de experimentele bevindingen van directe observaties - inclusief een onderzoek waarbij een miniatuurtransducersysteem op de rug van een vogel werd gebruikt om veranderingen in de luchtzakdruk in de longen te meten - kijkt Mindlin naar de belangrijkste structurele parameters die betrokken waren bij de zangproductie.

"De zangvogels delen hoofdkenmerken in de manier waarop ze hun liedjes produceren, zodat u een verenigend model kunt bouwen en de meeste akoestische verschillen die ze kunnen bereiken, zijn te wijten aan de regio in de parameterruimte waar ze werken, "Zei Mindlin. "Er zijn enkele universele kenmerken die over soorten worden bewaard."

Uit het directe bewijs van de betrokken akoestiek en biomechanica, Mindlin en zijn collega's bouwden modellen van deze parameterruimte om de precieze niet-lineaire dynamische eigenschappen te beschrijven die het proces beheersen. Voorzichtig voor mogelijke scepsis van de biologische gemeenschap, hij testte de modellen ook door liedjes na te bootsen en ze te gebruiken om de reacties van vogels te bestuderen op een vergelijkbare manier als oudere studies die echte zangopnames gebruikten.

Met behulp van synthetische vogelgezang, Mindlin en zijn medewerkers waren in staat om veel van de neurale respons bij zebravinken na te bootsen die werd gemeten bij het gebruik van opnames van hun echte liedjes. Deze neurale handtekeningen, en hoe deze zich verhouden tot de geluidsproductie, bieden veel inzicht in de neurobiologie van taalproductie, evenals, misschien verrassend, tot meer puur fundamentele natuurkunde.

"Het interessante is dat het veel vragen oproept voor de natuurkundige gemeenschap, hoe je van een neuron naar de collectieve activiteiten van spiervezels en de microscopische controle van de biomechanica gaat. Het is een open vraag voor statistische mechanica uit evenwicht, ' zei Mindlin.