Was Vogelgesang erzählt uns über die Gehirnzellen und das lernen

Die meisten Wissenschaftler, die studieren, das Gehirn zu glauben, dass Erinnerungen gespeichert sind, durch die Vernetzung von Synapsen oder verbindungen zwischen Neuronen. Lernen findet als Nervenzellen bilden neue verbindungen und stärken oder Schwächen bereits bestehende, wodurch das Gehirn seine sogenannte synaptische Plastizität. Es gibt zunehmend Hinweise, jedoch, dass die intrinsische, eingebaute Eigenschaften der Zellen selbst, nicht nur die verbindungen zwischen Ihnen, spielen auch eine Rolle in diesem Prozess.

Neue Forschung von Neurowissenschaftler an der Universität von Chicago verwendet eine einzigartige Modell—die komplizierten Paarung Lieder der Vögel, um zu zeigen, wie diese intrinsische Eigenschaften sind eng gebunden an die komplexen Prozesse des Lernens. Die Studie, veröffentlicht in Nature Communications, könnte eine neue Ebene der Komplexität zu unserem Verständnis des Gehirns.

„Wir sind in der Lage, um direkt aus den Eigenschaften der Zellen, um das Verhalten des Tieres“, sagte Dan Margoliash, Ph. D., Neurobiologe und leitender Autor der neuen Studie. „Dies deutet darauf hin, dass es nicht nur die schnellen Veränderungen an den Synapsen, die das lernen und Gedächtnis, aber änderungen in der intrinsischen Eigenschaften der Zellen als auch.“

Männliche Zebrafinken sind bekannt für Gesang komplexe, präzise songs zu gewinnen weibliche Kumpels. Sie versuchen zu produzieren, die exakt gleichen Muster und timing der Noten jedes einzelne mal, und zum Teil die Weibchen Richter eine männliche fitness-durch die Präzision seiner songs. Aber die Vögel sind nicht geboren mit einem vollen repertoire von songs; Sie müssen lernen und üben, Ihre Anrufe wie ein junger saxophonist Praktiken Skalen und grundlegende Melodien vor dem Studium zu John Coltrane ‚ s Katalog.

Margoliash nutzt diese als eine Möglichkeit zur Untersuchung der zugrunde liegenden Aktivität im Gehirn, wie die Vögel lernen, diese komplexen Verhalten. „Singvögel sind wunderbar zu studieren, auf Ihre eigene, aber es geht nicht nur um Singvögel. Dies ist über Neurowissenschaften groß geschrieben“, sagte er.

Alle lebenden Zellen haben eine innere elektrische Spannung, die ist anders als die Spannung in Ihrer Umgebung. Neuronen sind besonders, denn Sie haben den sogenannten aktionspotentialen, oder die Fähigkeit, sich rasch ändern sich die Stromflüsse in und aus der Zelle heraus. Die Reihenfolge und das timing der spikes, die in dieser Aktion geht, ist, was stellt die Informationen, die Neuronen entlang laufen über das Netzwerk, so sind Sie eine wichtige Quelle von Daten für das Verständnis, wie das Gehirn lernt.

In der neuen Studie, Margoliash und Arij Daou, Ph. D., ein ehemaliger Postdoc-Stipendium an der UChicago und jetzt assistant professor an der American University of Beirut, Libanon, aufgenommen, die Muster der aktionspotential-spikes von zebra finch Nervenzellen in verschiedenen Entwicklungsstadien—Erwachsene Vögel mit vollständig entwickelten song-Muster und Jugendliche, die noch lernen.

Neuronen haben eine Vielzahl von Kanälen und Proteinen eingebettet in Ihre Zellmembranen, öffnen und schließen sich in komplexer Weise je nachdem, wie viel Strom fließt in oder out. Diese Sammlung von Mechanismen umfasst, die die intrinsischen Eigenschaften der Zelle, die sich ändern können mit der Größe und Stärke der Ströme, die fließen über der Zellmembran.

Nach der Aufzeichnung fließt der Strom durch die Zellen, Margoliash und Daou entwickelte eine mathematische Weise zu vergleichen, wie eng die intrinsischen Eigenschaften der zwei Vögel aufeinander abgestimmt. Die wesentlichen Eigenschaften einer Klasse von Neuronen in einem bestimmten Vogel wurden einander ähnlich, aber Sie variiert von Vogel zu Vogel. Aber wenn die Forscher eine ähnliche Berechnung, wie eng Ihre Lieder ähnelten einander, kamen Sie an einen markanten Abschluss.

„Das war das große ‚Aha!‘ – moment“, Margoliash sagte. „Wenn wir wussten, dass die Berechnung für die Vögel, haben wir festgestellt, dass Vögel, die in der Nähe waren in Bezug auf Ihre inhärenten Eigenschaften hatte auch ähnliche songs.“

Diese Beziehung hielt bis über verschiedene Paarungen von Vögeln sowie. Geschwister Erwachsenen Vögel, die erhöht wurden, durch die gleichen Eltern haben—und damit lehrte die gleiche Weise—hatten beide ähnliche songs und intrinsische Zelleigenschaften. Aber die Jungen Vögel, die noch nicht perfektioniert Ihre songs waren alle über die Karte. Es gab keine klaren Beziehungen zwischen der intrinsischen Zelleigenschaften der Jugendlichen und Ihre songs, egal wie Sie miteinander verwandt waren.

Zudem konnten die Forscher zeigen, wie sich die intrinsischen Eigenschaften der Zellen verändert sich in Reaktion auf änderungen in der song-Muster. Mit einem Gerät aufgezeichnet, das Vogelgezwitscher und spielte es wieder auf eine leichte Verzögerung der Vögel verändern Ihren Gesang Muster in einer Weise, die ähnelt das Stottern beim Menschen. Sie bekam sofort stecken, versucht zu starten, zu singen. Schließlich solche Vögel würden stecken bleiben, die auf bestimmte Noten, oder sich wiederholenden mustern, dass Sie nicht produzieren in einer natürlichen Umgebung.

Interessant ist, dass diese gleiche Technik, die dazu verleiten kann, das Stottern in den Menschen zu. Wenn ein Lautsprecher hört man einen leicht verspäteten feed der eigenen Stimme, es wird dazu führen Sie zu stolpern über die Worte und wiederholen Sie die Silben. Aber für viele Menschen, die Stottern, Gehör-der verzögerte feed kann dazu beitragen, die Stottern.

Innerhalb von ein paar Stunden, nachdem ich den stutter-induziert verzögerten feedback, die intrinsischen Eigenschaften von Neuronen geändert, diese Vögel zu, was einen direkten link zu der veränderten Gesang Verhalten. Margoliash sagt, dass dies ist ein Beweis für einen biologischen Mechanismus für das Stottern, das könnte ein nützliches Modell für den Menschen als auch, angesichts der ähnlichkeiten im Verhalten.

„Es sind sicherlich wichtige kognitive Komponenten des Stotterns, dass wir nicht die chance hatten, zu studieren noch und sehen, wie nützlich das Vogelgezwitscher Modell ist,“ sagte er, „aber auf der grundlegenden Ebene können wir untersuchen die neuronalen Grundlagen des Verhaltens genau. Mit einem Tier-Modell für das Stottern sein könnte ein großer Durchbruch.“