Come gli uccelli canori imparano a cantare, una connessione cerebrale alla volta.

Un giovane diamante mandarino che impara a cantare potrebbe non sembrare granché all’inizio, solo un flusso indistinto di cinguettii e fischi. Ma gli scienziati della Duke University School of Medicine affermano che dietro questo chiacchiericcio apparentemente casuale si cela un processo altamente organizzato che potrebbe aiutare a spiegare come molti di noi imparano a fare qualcosa di difficile, che si tratti di parlare, di suonare la chitarra con maestria o di padroneggiare un nuovo passo di danza.

Al centro della scoperta pubblicata su Nature c’è la localizzazione di una singola connessione tra cellule cerebrali, nota come sinapsi, dove si manifesta per la prima volta l’apprendimento delle canzoni. I risultati contribuiscono a rispondere a un quesito di lunga data nelle neuroscienze: dove, esattamente, l’apprendimento ha inizio nel cervello.

Ciò che rende questa scoperta particolarmente significativa è che, anche dopo centinaia di milioni di anni di evoluzione, gli uccelli canori e gli esseri umani condividono ancora delle somiglianze. Entrambi imparano a vocalizzare imitando un tutore, ed entrambi lo fanno affidandosi a una regione del cervello chiamata gangli della base, dove i segnali della dopamina guidano il movimento e l’apprendimento .

I diamanti mandarino sono un modello ideale per studiare come i gangli della base rendano possibile l’apprendimento vocale. Il loro cervello è minuscolo, circa il peso di una graffetta, ma ricco di milioni di neuroni e miliardi di sinapsi. E i loro canti non sono affatto facili da imparare.

Perché i diamanti mandarino sono studenti ideali

I giovani fringuelli devono esercitarsi decine o addirittura centinaia di migliaia di volte per imparare a cantare come un insegnante, il tutto senza alcun insegnamento o ricompensa.

“Mi piace dire che i diamanti mandarino sono gli studenti perfetti”, ha affermato il primo autore dello studio, Drew Schreiner, Ph.D., ricercatore post-dottorato presso la Duke School of Medicine. “Sono automotivati : cantano migliaia di volte al giorno, ogni giorno per oltre un mese. E si autovalutano persino. Imparano confrontando i propri canti con il ricordo del canto del loro tutor.”

Il cervello degli uccelli canori offre ai neuroscienziati un vantaggio unico, poiché gran parte dei suoi gangli della base è interamente dedicata all’apprendimento del canto.

“È come se potessimo isolare le parti del cervello di Shohei Ohtani responsabili solo del lancio e studiare esclusivamente quelle”, ha affermato il coautore John Pearson, Ph.D., professore associato presso il Dipartimento di Neurobiologia della Duke School of Medicine.

Richard Mooney, Ph.D., professore di neurobiologia e autore senior dello studio, ha collaborato con il laboratorio Pearson a questa ricerca, finanziata dall’iniziativa BRAIN dei National Institutes of Health. Anni di lavoro con gli uccelli canori hanno permesso di acquisire costantemente nuove conoscenze su come il cervello apprende e su cosa può andare storto nei disturbi neurologici.

Concentrandosi su una singola sinapsi

Poiché il processo di apprendimento delle canzoni è ricco e complesso, molti scienziati hanno ipotizzato che l’apprendimento debba essere distribuito in ampie aree del cervello.

Il nuovo studio, invece, rivela qualcosa di sorprendente: l’apprendimento delle canzoni dipende inizialmente da un tipo specifico di sinapsi nei gangli della base.

Poiché i fringuelli cantano migliaia di volte al giorno, il team, di cui facevano parte Amanda Li e Samuel Brudner, ha avuto a disposizione un’enorme quantità di dati su cui lavorare.

Hanno addestrato un sistema di intelligenza artificiale a valutare ogni interpretazione del canto, ponendosi essenzialmente la domanda: questa versione assomiglia di più al primo tentativo dell’uccello o a una versione successiva e più rifinita?

“In questo modo, si misura l’apprendimento in relazione alle prestazioni dell’uccello stesso”, ha affermato Pearson. “In pratica, si lascia che sia l’uccello a stabilire i propri standard.”

I ricercatori hanno combinato questi metodi di intelligenza artificiale con strumenti di precisione come l’optogenetica , che permette agli scienziati di disattivare temporaneamente le sinapsi tramite la luce.

Quando hanno disattivato l’attività di una serie specifica di sinapsi nei gangli della base, i canti dell’uccello sono tornati ad assumere una forma più immatura. Questo risultato ha contribuito a individuare una specifica connessione cerebrale in cui avviene per la prima volta l’apprendimento del canto.

Trovare un equilibrio tra sperimentazione e precisione nella composizione musicale.

Inoltre, quando l’attività dei gangli della base veniva artificialmente aumentata, gli uccelli imparavano più rapidamente, ma questo aveva un costo. I loro canti potevano diventare copie peggiori delle melodie dei loro mentori, rivelando una tensione fondamentale nell’apprendimento: bilanciare la velocità di esplorazione e la precisione del comportamento finale.

Inizialmente, gli uccelli hanno bisogno della libertà di sperimentare, di provare suoni diversi, anche se sbagliati. È proprio questa variabilità che permette l’apprendimento.

Ma col tempo, devono tenere a freno questa variabilità, stabilizzandosi su qualcosa di costante e ripetibile, come un pianista che suona un concerto o un giocatore di basket che tira un tiro libero.

“La stessa cosa accade quando i bambini imparano a parlare”, ha detto Schreiner. “Iniziano con dei balbettii e gradualmente li trasformano in parole comprensibili.”

Il team ha scoperto che il cervello sembra essere finemente sintonizzato per gestire il compromesso tra consentire una variabilità sufficiente per tentativi ed errori, necessaria a promuovere l’apprendimento, e non tanta da vanificare i progressi faticosamente conquistati nelle prestazioni vocali.

Cosa può rivelare il canto degli uccelli sulle malattie

Per Mooney, le implicazioni vanno oltre il canto degli uccelli. Gli stessi circuiti dei gangli della base sono coinvolti in malattie umane come il morbo di Parkinson e la sindrome di Tourette, disturbi in cui si verificano interruzioni nel movimento o nella comunicazione.

Comprendere come dovrebbe funzionare l’apprendimento, ha affermato, potrebbe aiutare a spiegare cosa succede quando non funziona.

“Capire come i gangli della base supportino normalmente l’apprendimento motorio aiuta anche a spiegare come i meccanismi di plasticità in questo sistema possano essere compromessi in determinate malattie, alterando il movimento”, ha affermato Mooney.

Astratto

L’apprendimento per imitazione è alla base dell’espressione verbale e musicale, ma le sue basi neurali rimangono poco chiare. Un giovane maschio di diamante mandarino imita il canto polisillabico di un tutore adulto in un processo che dipende da un circuito cortico-gangliare specializzato nel canto, fornendo un potente sistema per identificare i substrati sinaptici dell’apprendimento motorio imitativo. Si ipotizza che la plasticità in un particolare insieme di sinapsi cortico-gangli basali guidi rapidi cambiamenti legati all’apprendimento nel canto prima che questi cambiamenti vengano successivamente consolidati nei circuiti a valle. ⁵ Tuttavia, questa ipotesi non è stata testata e la sede sinaptica in cui si verifica inizialmente l’apprendimento non è chiara. In questo studio, combinando un framework computazionale per quantificare l’apprendimento del canto con manipolazioni optogenetiche e chemiogenetiche specifiche per le sinapsi all’interno e a valle del circuito cortico-gangli basali, abbiamo identificato le sinapsi cortico-gangli basali specifiche che guidano l’acquisizione e l’espressione di rapidi cambiamenti vocali durante l’apprendimento del canto nei giovani uccelli e abbiamo caratterizzato la scala temporale di diverse ore in cui questi cambiamenti si consolidano. Inoltre, l’aumento transitorio dell’attività postsinaptica nei gangli basali accelera brevemente i tassi di apprendimento e altera persistentemente il canto, dimostrando un legame diretto tra l’attività dei gangli basali e l’apprendimento rapido. Questi risultati localizzano le sinapsi cortico-gangli basali specifiche che consentono a un giovane uccello canoro di imparare a cantare e rivelano la logica del circuito e le scale temporali comportamentali di questo paradigma di apprendimento imitativo.

by