Птичьи трели замерзли в мозгу

Учёные замедлили работу мозга, заморозив его участки крохотными холодильниками

Для того чтобы выяснить, что координирует пение птиц, пришлось создать крохотный «холодильник» для живого мозга, замедляющий работу отдельных его участков. Поочерёдно охлаждая их, физиологи доказали, что отдельные куплеты «песни» формируются в двух голосовых центрах полушарий мозга. Затем они сводятся в единую трель в таламусе.

Даже такое, казалось бы, обычное действие, как бег или ходьба, не говоря уже о танцах, речи или рисовании, требует точной синхронизации работы десятков мышц. Какая структура отвечает за эту синхронизацию в нашем организме, для ученых во многом остаётся загадкой.

А вот в случае птиц авторам публикации в последнем номере Nature этого регулировщика найти удалось.

Им оказался голосовой центр, располагающийся в головном мозге и известный орнитологам под названием ядра HVC.

Майкл Лонг и Мишель Фи из Массачусетского технологического института выбрали объектом своего исследования зебровых амадин. Эти птички неплохо чувствуют себя в неволе, благодаря чему уже давно стали одним из любимых подопытных животных орнитологов.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "click": "on",
    "id": "2873799",
    "incutNum": 1,
    "repl": "<1>:{{incut1()}}",
    "uid": "_uid_2881675_i_1"
}

Но главное, их песни как нельзя лучше подходят для изучения комплексных реакций, требующих точного чувства времени. Эти трели, продолжающиеся всего одну секунду, состоят из нескольких коротких «куплетов», разделенных паузами. И продолжительность пауз, и длительность куплетов – величины по биологическим меркам «сверхпостоянные», меняющиеся у одной особи не более чем на 5%.

Функциональная магниторезонансная томография вкупе с электроэнцефалографией немало рассказали нейрофизиологам о механизмах возникновения песен. Но даже эти методы не помогли различить, какая из двух ключевых структур контролирует пение – двигательное ядро RA или голосовой центр HVC.

Чтобы разрешить спор, учёным пришлось замедлить время. К сожалению, со скоростью света зебровые амадины не летают, поэтому эффектами специальной теории относительности в исследовании воспользоваться не удалось.

Вместо этого физиологи поочерёдно охладили упомянутые скопления нейронов и сравнили эффект заморозки на пение птиц.

Элемент Пельтье

термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье – возникновении разности температур при протекании электрического тока.

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используются контакт двух полупроводников.

Они исходили из гипотезы, что охлаждение замедляет все биологические процессы, а потому заморозка «главного» органа замедлит песню. Лонгу и Фи даже пришлось вспомнить навыки юных радиотехников и спаять небольшой элемент Пельтье, достаточный для охлаждения заданного участка на определенную температуру. Заметьте, всё это происходит в реальном времени, в мозгу живых птиц, живущих в прямом смысле этого слова припеваючи.

Полученные результаты не только вернули HVC главенствующую позицию, но даже изменили представления о возникновении песен. Как и рассчитывали ученые, песни с охлаждением замедлились – при понижении температуры на 6,5 градусов общая продолжительность трели увеличилась на 45%.

При этом птицы не просто увеличивали промежутки между куплетами, но и сами куплеты становились длиннее. Более того, все составляющие песни растягивались одинаково. Читатель может сам сравнить обычную трель и трель птицы, ядро HVC мозга которой охлаждено на 8,2^oC (трели записаны Лонгом и Фи).

Так как ядер HVC два – по одному на каждое полушарие, то возник вполне закономерный вопрос о том, какое же именно играет ключевую роль.

Поочередно охлаждая два ядра, Лонг и Фи доказали, что они отвечают за разные участки песен.

А интеграция сигналов, как было известно из предыдущих работ, происходит в другой структуре – таламусе, присутствующей и у млекопитающих.

К сожалению, механизмы непосредственно замедления и вопросы об участии проводящей системы мозга в наблюдаемом феномене остались за пределами исследования. В любом случае, Лонг и Фи заработали уважение коллег за рукоделие, фактически создав новый метод для активного изучения функций мозга. Так что в скором времени стоит ждать новых, более детальных работ, оперирующих тем же методом.