Zebravinken zijn zo goed in zingen dat ze het in hun slaap kunnen doen. En, volgens wetenschappers, doen ze alles behalve: Terwijl ze sluimeren, vuren zebravinken hersengebieden op en trillen hun stembanden op manieren die waakzaam gegrom nabootsen.
gerelateerde inhoud
- Slaapleren was een mythe, maar je zou herinneringen kunnen versterken terwijl je sluimert
- This Is Your Brain op je favoriete nummer
In de afgelopen twee decennia hebben wetenschappers ontdekt dat slaap een cruciaal onderdeel is van het repertoire voor het leren van zebravinken. De vinken zijn geen geboren aria's; in plaats daarvan leren ze hun liedjes in de adolescentie, oefenen en knutselen onder toezicht van een volwassen tutor. De tutor zal geduldig voor zijn studenten scharrelen, die dan hun eigen voorlopige vocalisaties zullen uiten. Het horen van hun eigen stem lijkt een cruciaal element te zijn voor kleine zebravinken als ze de noten en lettergrepen zelf testen.
Zeker, oefening baart kunst - maar nog belangrijker? Een goede nachtrust.
Na een zware dag op school gaat elke zebravink naar bed met muziek in gedachten - zozeer zelfs dat zijn hersenen in en uit dezelfde patronen flikkeren die zich voordoen tijdens dagelijkse oefensessies. De stembanden trillen ook, maar produceren geen geluid: de vogels duwen niet genoeg lucht door hun kelen om hoorbaar geluid te genereren.
Onderzoekers theoretiseren dat de vogels in feite dromen van liedjes - meer slaap-lip-synchronisatie dan slaapzang. Dit kan veel te maken hebben met het kristalliseren en hervormen van materiaal dat ze van hun docenten hebben geleerd - een fenomeen dat vergelijkbaar is met het in slaapstand brengen van herinneringen en informatie door mensen in bewaring op lange termijn te bewaren. 'S Ochtends worden de vinken slaperig en gedesoriënteerd en babbelen ze iets minder coherent dan de vorige dag - maar naarmate de tijd vordert, verbeteren hun nummers.
Wetenschappers denken dat het bestuderen van hoe vogels de slaap gebruiken om hun liedjes te leren, ons kan helpen het mysterieuze proces van het leren van menselijke talen te begrijpen. Net als menselijke spraak zijn de melodieën van vogelgezang ingewikkeld en complex en activeren ze zelfs hersenbanen en spieren die erg lijken op die bij mensen.
"Ik had gisteravond deze gekke droom maar ik vergat het op te schrijven." (Flickr / Cathy) Maar het bestuderen van het droomlandschap van een sluimerende zebravink is geen gemakkelijke prestatie: het is niet alsof we de vogels wakker kunnen duwen en vragen. Om de innerlijke werking van deze slaperige vogels te begrijpen, besloot de onderzoeksgroep van Gabriel Mindlin aan de Universiteit van Buenos Aires een stap verder te gaan in de keten van muzikaal commando. Hersenen beheersen het gedrag, maar er zit een gespierde tussenpersoon tussen de twee. Om het patroon in de hersenen te vertalen naar een volledige serenade, moet het vocale orgel van een vogel eerst de marsorders uitvoeren. Mindlin, een professor in de biofysica die de mechanica van vogelgezang bestudeert, heeft samen met zijn collega's een systeem ontworpen om de activiteit van de betrokken spieren rechtstreeks te meten.
In eerder werk ontdekte zijn onderzoeksteam, in samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Utah, dat zebravinken hun stembanden bewegen synchroon met liedachtige activiteit in de hersenen, wat aangeeft dat de uitlezing van de spieren een goede indicatie zou kunnen zijn voor gluren in de melodische mijmeringen van de vogels.
"In plaats van naar één [hersenen] cel per keer te kijken, kunnen we de output van het hele systeem zien, en dat is heel opwindend", zegt Daniel Margoliash, een professor in neurobiologie aan de Universiteit van Chicago, die al meer dan eens vogelzang heeft bestudeerd drie decennia. Margoliash heeft eerder samengewerkt met de groep van Mindlin, maar was niet betrokken bij deze studies.
De studie ontdekte ook dat slaap niet alleen een tijd was om te repeteren - het zou de vogels ook een kans kunnen geven om stilletjes nieuwe melodieën te improviseren. De stemspieren van de vogels lijken 's nachts een beetje op de fritz te gaan en stille liedjes te componeren die zich niet houden aan de scripts van overdag. Dit nieuwe onderzoek was in staat om variatie vast te leggen die eerdere studies van de hersenen niet konden, en suggereert dat de muzikale geest meandert wanneer zebravinken afknikken.
Voor Mindlin was dit enorm. "Nu hebben we een model dat de hersenen niet nodig heeft", zegt hij.
Vorige week breidt Mindlin's groep in twee nieuwe studies hun onderzoek uit. Beide studies richten zich op de manier waarop wetenschappers de stemspieren van de vinken bestuderen, in de hoop meer geheimen van de sluimerende vogelhersenen te ontsluiten.
Ten eerste wilden wetenschappers onder leiding van Juan Doppler, een fysicus die onder toezicht van Mindlin werkte, het gemakkelijker maken om de spieren van de vogels te bestuderen. Focussen op de spieren kan een directere manier zijn om de mechaniek van de serenades van het sluimeren vast te leggen - maar het is nog steeds niet eenvoudig. Volwassen zebravinken moeten een operatie ondergaan om wetenschappers in staat te stellen elektroden aan meerdere spieren te bevestigen.
Hoewel wordt aangenomen dat deze spieren rechtstreeks de afzonderlijke aspecten van de productie van liedjes besturen - bijvoorbeeld de toonhoogte van het geproduceerde geluid - moeten ze ook samenwerken. Verschillende zijn fysiek verbonden, waaronder een bijzonder belangrijke spier, de syringealis ventralis, waarvan bekend is dat deze de frequentie van een lied regelt.
Het team ontdekte dat het meten van de activiteit van alleen de syringealis ventralis op betrouwbare wijze de dynamiek van balladen met vogels bijna net zo nauwkeurig kon vastleggen als de oude techniek van het meten van meerdere spieren. Zoals verwacht, bevatte de activiteit van de spier informatie over de frequentie, maar kon ook voorspellen wanneer muzikale motieven begonnen en stopten met een nauwkeurigheid van meer dan 70 procent.
"We gaan weg van ons volledig richten op de hersenen en neuronen, en besteden ook aandacht aan biomechanica, waar de informatie van het zenuwstelsel wordt verwerkt", zegt Doppler. “Dit is een krachtig idee. In sommige gevallen kan het kijken naar de biomechanica je inzichten geven die niet zo duidelijk zijn in het zenuwstelsel. "
Met het eenvoudiger systeem van Doppler, beschreven in het tijdschrift Chaos, kunnen de onderzoekers gemakkelijker de droomliedjes van de vogels bestuderen; Bovendien kan het begrijpen van de mechanica van deze krachtige spier ook aangeven hoe het vocale systeem werkt als een functionele eenheid.
"De kenmerken van de spier bloeden echt door, " zegt Katherine Tschida, een neurobiologe aan de Duke University, die zangleren in zebravinken heeft bestudeerd. "Je kunt een uitlezing krijgen van een enkele spier [op] een heleboel verschillende functies, ondanks het feit dat de spier niet in de eerste plaats de functionele bestuurder van het systeem is." Tschida, die niet bij het werk betrokken was, roemde ook de studie voor zijn "hoge kwaliteit" methodologie.
Deze grafiek toont de activering van spierspieren in een vink tijdens het zingen (boven) en 's nachts (grijs, onder). (Young et. Al., In PeerJ (2017)) In de tweede studie ontdekte een team onder leiding van Alan Bush, ook een fysicus in Mindlins groep, dat ze de vogels konden manipuleren om hun stembanden te buigen door ze versies van hun eigen liedjes te spelen terwijl ze sliepen - een vorm van harmonische hypnose. Bush wilde graag de patronen bestuderen van hoe spieren daadwerkelijk in slaap vuren. Voor hem is het vocale orgel niet alleen een pop die de hoofdinstructies van de hersenen uitvoert - het is eerder een creatieve verbinding tussen hersenen en gedrag die zijn eigen toeters en bellen kan toevoegen aan het eindproduct. "Veel van de complexiteit van het systeem komt eigenlijk uit de periferie, waar de spieren zijn", legt hij uit.
Bush en zijn collega's ontdekten dat wanneer de spieren tot activiteit worden overgehaald, ze zich op een alles-of-niets-manier gedragen. Wanneer fragmenten van zichzelf werden gespeeld terwijl ze deuntjes uitprobeerden, zouden de spieren van de vogels betrouwbaar trillen. Zelfs synthetische versies van deze nummers, geremixed in het lab, konden soms vocale orgelreacties oproepen. Vaak waren de spieren nog steeds - maar toen ze in flexie werden gebracht, voerden ze de volledige schietsequentie van een vocalisatie uit.
De wetenschappers zeggen dat deze kennis nieuwe manieren opent om te bestuderen hoe het muzikale spierstelsel tot actie wordt aangespoord.
Vanwege de invasiviteit van de operatie hebben Mindlin en zijn team alleen de spierreacties van volwassen zebravinken kunnen testen. Toekomstige experimenten met meer geavanceerde technologie kunnen echter licht werpen op de droomtoestanden van jonge vogels. Dergelijke bevindingen kunnen eerder onderzoek bevestigen hoe adolescente zebravinken spelen met de leer van hun tutor en hun eigen persoonlijke accenten toevoegen tijdens de slaap. Maar welk doel zou dit kunnen dienen bij volwassenen, die hun melodieën al onder de knie hebben?
Margoliash denkt dat het gaat om het behouden van expertise. "Als je een zeer hoog niveau van precisie wilt bereiken, moet je werken om daar te komen en oefenen om daar te blijven", legt hij uit. "Zebravinken - en mensen - moeten oefenen om de kwaliteit van onze prestaties te behouden."
Op een dag, met de gecombineerde krachten van neurowetenschap en biofysica, kunnen wetenschappers misschien zelfs een diepere duik in de liedjes van sluimer nemen. Technologie heeft de taak niet helemaal ingehaald - maar het wordt steeds krachtiger met elke dag die voorbijgaat. Tot dan? Droom verder.
