Des chercheurs de l'UC San Francisco ont montré comment le pinson du Bengale, un oiseau chanteur domestiqué, peut apprendre à peaufiner sa chanson de manière spécifique en fonction du contexte, ce qui pourrait éclairer sur la façon dont le cerveau humain apprend à appliquer différentes règles selon la situation, et ont des implications pour la compréhension du langage humain et des troubles du mouvement.

L'étude, publié le 16 novembre 2017, dans Neurone , a montré que les pinsons passent de versions génériques à des versions spécifiques de leurs chansons en fonction de la situation dans laquelle ils se trouvent. les chercheurs ont identifié deux zones distinctes dans le cerveau des oiseaux dédiées à ce processus d'apprentissage :une région qui code des règles généralisables pour produire des chants par défaut, et une autre zone qui peut remplacer le chemin par défaut pour produire différents sons pour différents contextes.

Cela ressemble beaucoup à la façon dont votre propre cerveau a appris dans la petite enfance le mouvement standard des bras pour atteindre et saisir un objet, mais depuis lors, a également appris à ajuster la force de votre bras et la prise de votre main en fonction de la situation - si, par exemple, vous prenez une tasse pleine plutôt qu'une vide.

"Nous voulions comprendre comment le cerveau équilibre le besoin de généraliser l'apprentissage des mouvements dans de nombreux contextes avec le besoin de produire des mouvements spécialisés dans des contextes spécifiques, " dit Lucas Tian, doctorant au laboratoire Brainard de l'UCSF et auteur principal de l'étude. "Cette tendance a été démontrée chez l'homme lors de l'adaptation du mouvement et de la parole, mais les mécanismes neuronaux de la façon dont cet équilibre est médié ne sont pas connus. Les oiseaux chanteurs apprennent à chanter de la même manière que les humains apprennent à parler, nous avons donc pensé que l'oiseau chanteur serait un très bon système modèle pour étudier ce processus."

Les pinsons apprennent à ajuster la chanson en fonction du contexte

Des neurobiologistes tels que Michael Brainard de l'UCSF, Doctorat, professeur de physiologie et de psychologie et membre du Weill Institute for Neurosciences de l'UCSF et auteur principal de la nouvelle étude, ont longtemps étudié le chant des oiseaux pour ce qu'il peut nous apprendre sur la façon dont le cerveau humain apprend des comportements complexes tels que le langage, et comment les mêmes systèmes cérébraux se désintègrent dans les maladies du mouvement telles que la maladie de Parkinson.

Tout comme le langage humain, Le chant du pinson est composé de séquences de « syllabes » – des unités de son similaires aux accords musicaux – et est initialement appris par les jeunes oiseaux en imitant les « tuteurs » adultes. En tant qu'adultes, les pinsons chantent pour attirer des partenaires, et peuvent toujours apprendre à ajuster leurs chansons en fonction du contexte, par exemple s'ils jouent ou s'entraînent. Le laboratoire de Brainard a déjà montré où dans le cerveau les pinsons incorporent des commentaires pour améliorer leurs chansons, mais on ne savait toujours pas comment les pinsons appliquaient ces leçons à des situations spécifiques.

Dans la nouvelle étude, Tian et Brainard voulaient savoir si les oiseaux pouvaient apprendre à modifier sélectivement la hauteur de syllabes spécifiques dans leurs chansons en fonction du contexte. Pour dresser les pinsons, les chercheurs ont joué un éclat de bruit blanc lorsque les oiseaux ont chanté une syllabe particulière en dehors d'une plage de hauteur définie par les chercheurs. Les oiseaux ont rapidement appris à changer la hauteur de cette syllabe dans leur chant pour éviter le son désagréable.

L'entraînement n'avait lieu que lorsque les pinsons chantaient la syllabe cible dans une certaine séquence de chansons. Cependant, les chercheurs ont observé que les oiseaux commençaient également à ajuster la hauteur de cette syllabe lorsqu'elle se produisait également dans différentes parties de leur chant, suggérant qu'ils ont généralisé la nouvelle règle à travers les contextes. Par exemple, les oiseaux pourraient être entraînés à élever le ton de la syllabe C dans la séquence A-B-C-D, mais ils peuvent aussi commencer à chanter une syllabe plus aiguë en C lorsqu'ils chantent également en D-B-C-A. La mesure dans laquelle les oiseaux ajustaient leur hauteur dans de nouveaux contextes dépendait de la similitude de la séquence avec la chanson originale.

Pour comprendre si les oiseaux peuvent apprendre différentes règles pour différentes situations, les chercheurs ont ensuite mis les pinsons au défi de modifier la même syllabe dans des directions opposées en fonction du contexte. Remarquablement, les oiseaux ont appris à distinguer les contextes et ont varié leurs réponses en conséquence. Par exemple, ils ont appris à chanter le do dans un ton plus grave lorsque la syllabe était précédée d'un si, mais dans un ton plus élevé lorsqu'elle était précédée d'un la.

"Ce type de personnalisation sophistiquée de l'apprentissage à différents contextes est très similaire à la parole humaine, " a déclaré Brainard. " Il est difficile d'étudier ce qui se passe dans le cerveau humain pendant ce processus, mais nous pouvons nous demander comment cet apprentissage dépendant du contexte se produit chez les oiseaux. Il y a suffisamment de similitudes dans les structures neuronales entre les oiseaux et les mammifères pour nous permettre de penser que ce que nous apprenons chez l'oiseau pourrait s'appliquer plus largement."

Deux régions du cerveau contrôlent l'apprentissage basé sur des règles et dépendant du contexte

Il existe deux régions cérébrales chez le pinson qui sont essentielles à l'apprentissage et à la production du chant :la voie motrice du chant, qui est nécessaire pour produire les sons, et la voie antérieure du cerveau antérieur (AFP), un circuit de fonction exécutive qui est impliqué dans l'apprentissage et la modification des chansons.

En bloquant chimiquement l'AFP pendant que les oiseaux ont appris à modifier leur hauteur, les chercheurs ont pu analyser les fonctions spécifiques des deux régions au cours de l'apprentissage. Ils ont découvert que l'activation dans l'AFP était nécessaire pour que les pinsons apprennent à modifier leur hauteur dans un contexte spécifique. L'AFP a reconnu lorsque la syllabe cible se produisait dans la bonne séquence et a communiqué à la voie motrice qu'elle devrait modifier la hauteur de la syllabe. Sans instructions spécifiques, la voie motrice a alors commencé à intégrer et à généraliser cette règle à d'autres contextes, parfois en ajustant la hauteur des syllabes pour d'autres chansons. Plus la voie motrice reçoit de rétroaction pour modifier le pas, plus il l'a fait de manière fiable dans tous les contextes.

Cependant, quand les oiseaux ont appris à modifier leur hauteur dans deux directions pour deux contextes différents, la voie motrice ne pouvait déduire et généraliser une règle unique. Par conséquent, l'AFP devait rester active pour dire à la voie motrice quand et comment modifier le pas.

"Cette voie de la chanson est beaucoup plus intelligente et flexible que nous ne le pensions à l'origine, " dit Tian. " Il ne s'agit pas seulement de produire obligatoirement une syllabe. Il a accès à des informations sur la façon de modifier une tâche en fonction du contexte plus large."