I ricercatori della UC San Francisco hanno mostrato come il fringuello bengalese, un uccello canoro addomesticato, può imparare a modificare la sua canzone in modi specifici a seconda del contesto, che potrebbe far luce su come il cervello umano impara ad applicare regole diverse a seconda della situazione, e hanno implicazioni per la comprensione del linguaggio umano e dei disturbi del movimento.

Lo studio, pubblicato il 16 novembre 2017, in Neurone , ha mostrato che i fringuelli passano da versioni generiche a specifiche delle loro canzoni a seconda della situazione in cui si trovano. Inoltre, i ricercatori hanno identificato due aree distinte nel cervello degli uccelli dedicate a questo processo di apprendimento:una regione che codifica regole generalizzabili per produrre canti predefiniti, e un'altra area che può ignorare il percorso predefinito per produrre suoni diversi per contesti diversi.

È molto simile a come il tuo cervello ha imparato durante l'infanzia il movimento standard del braccio per raggiungere e afferrare un oggetto, ma da allora ha anche imparato a regolare la forza del braccio e la presa della mano in base alla situazione, se, Per esempio, stai raccogliendo una tazza piena piuttosto che una vuota.

"Volevamo capire come il cervello bilancia la necessità di generalizzare l'apprendimento dei movimenti in molti contesti con la necessità di produrre movimenti specializzati in contesti specifici, "ha detto Lucas Tian, uno studente di dottorato nel laboratorio Brainard della UCSF e autore principale dello studio. "Questa tendenza è stata mostrata negli esseri umani durante il movimento e l'adattamento del linguaggio, ma i meccanismi neurali per come questo equilibrio è mediato non sono noti. Gli uccelli canori imparano a cantare più o meno allo stesso modo in cui gli umani imparano a parlare, quindi abbiamo pensato che l'uccello canoro sarebbe stato un sistema modello davvero carino per studiare questo processo".

I fringuelli imparano a regolare la canzone in base al contesto

Neurobiologi come Michael Brainard dell'UCSF, dottorato di ricerca, professore di fisiologia e psicologia e membro del Weill Institute for Neurosciences presso l'UCSF e autore senior del nuovo studio, abbiamo studiato a lungo il canto degli uccelli per quello che può insegnarci su come il cervello umano apprende comportamenti complessi come il linguaggio, e come gli stessi sistemi cerebrali si sfaldano nelle malattie del movimento come il morbo di Parkinson.

Proprio come il linguaggio umano, Il canto dei fringuelli è composto da sequenze di "sillabe" - unità di suono simili ad accordi musicali - e viene inizialmente appreso dai giovani uccelli imitando i "tutori" adulti. Da adulti, i fringuelli cantano per attirare i compagni, e possono ancora imparare ad adattare le loro canzoni a seconda del contesto, ad esempio se si stanno esibendo o si esercitano. Il laboratorio di Brainard ha mostrato in precedenza dove nel cervello i fringuelli incorporano feedback per migliorare le loro canzoni, ma non era ancora chiaro come i fringuelli applicassero queste lezioni a situazioni specifiche.

Nel nuovo studio, Tian e Brainard volevano sapere se gli uccelli potevano imparare ad alterare selettivamente il tono di sillabe specifiche nelle loro canzoni a seconda del contesto. Per addestrare i fringuelli, i ricercatori hanno riprodotto una raffica di rumore bianco quando gli uccelli hanno cantato una particolare sillaba al di fuori di un intervallo di tonalità impostato dai ricercatori. Gli uccelli hanno imparato rapidamente a spostare il tono di quella sillaba nel loro canto per evitare il suono sgradevole.

L'addestramento avveniva solo quando i fringuelli cantavano la sillaba bersaglio in una determinata sequenza di canzoni. Però, i ricercatori hanno osservato che gli uccelli hanno anche iniziato a regolare il tono di questa sillaba quando si verificava anche in diverse parti del loro canto, suggerendo che hanno generalizzato la nuova regola attraverso i contesti. Per esempio, gli uccelli potrebbero essere addestrati ad aumentare il tono della sillaba C nella sequenza A-B-C-D, ma potrebbero anche iniziare a cantare una sillaba C più acuta quando cantano anche D-B-C-A. Quanto gli uccelli modificavano il loro tono in nuovi contesti dipendeva da quanto la sequenza fosse simile alla canzone originale.

Per capire se gli uccelli possono imparare regole diverse per situazioni diverse, i ricercatori hanno poi sfidato i fringuelli a modificare la stessa sillaba in direzioni opposte a seconda del contesto. Sorprendentemente, gli uccelli hanno imparato a distinguere tra i contesti e hanno variato le loro risposte di conseguenza. Per esempio, hanno imparato a cantare C in un tono più basso quando la sillaba era preceduta da un B ma in un tono più alto quando era preceduta da un A.

"Questo tipo di sofisticata personalizzazione dell'apprendimento in contesti diversi è molto simile al linguaggio umano, " ha detto Brainard. "È difficile studiare cosa sta succedendo nel cervello umano durante questo processo, ma possiamo chiederci come questo apprendimento dipendente dal contesto avvenga negli uccelli. C'è abbastanza somiglianza nelle strutture neurali tra uccelli e mammiferi da permetterci di pensare che ciò che impariamo nell'uccello potrebbe applicarsi in modo più ampio".

Due regioni del cervello controllano l'apprendimento basato su regole e dipendente dal contesto

Ci sono due regioni cerebrali nel fringuello che sono fondamentali per l'apprendimento e la produzione del canto:il percorso motorio del canto, che è necessario per produrre i suoni, e la via del proencefalo anteriore (AFP), un circuito di funzioni esecutive che è coinvolto nell'apprendimento e nella modifica delle canzoni.

Bloccando chimicamente l'AFP mentre gli uccelli imparavano ad alterare il loro passo, i ricercatori sono stati in grado di analizzare le funzioni specifiche delle due regioni durante l'apprendimento. Hanno scoperto che l'attivazione nell'AFP era necessaria affinché i fringuelli imparassero a modificare il loro passo in un contesto specifico. L'AFP ha riconosciuto quando la sillaba target si è verificata nella giusta sequenza e ha comunicato alla via motoria che avrebbe dovuto alterare il tono della sillaba. Senza istruzioni specifiche, il percorso motorio ha quindi iniziato a incorporare e generalizzare questa regola ad altri contesti, a volte regolando l'altezza delle sillabe per altre canzoni. Maggiore è il feedback ricevuto dal percorso motorio per modificare il tono, più affidabile lo ha fatto attraverso i contesti.

Però, quando gli uccelli hanno imparato a modificare il loro passo in due direzioni per due contesti diversi, la via motoria non poteva dedurre e generalizzare una sola regola. Di conseguenza, l'AFP doveva rimanere attivo per dire al percorso motorio quando e come modificare il tono.

"Questo percorso musicale è molto più intelligente e flessibile di quanto pensassimo inizialmente, " ha detto Tian. "Non si tratta solo di produrre obbligatoriamente una sillaba. Ha accesso alle informazioni su come modificare un'attività a seconda del contesto più ampio."