О чём поют калифорнийские рыбы? Исследователи теряются в догадках. Однако, если кто-то и может понять смысл этих «песен», то это исследователи из Корнельского университета. В ходе нового исследования этого вида - более известного как рыба-мичман, поскольку его окрас похож на маленькие мундиры матросов, - учёные обнаружили, что рыбы используют ту же часть мозга, что и млекопитающие, когда общаются друг с другом.
Самцы рыбы-мичмана (Porichthys notatus), которые ищут себе пару или отбиваются от конкурентов, становятся настоящими «болтунами». По словам профессора Корнельского университета и старшего автора исследования Эндрю Басса, самцы этих рыб издают хрюкающие звуки, рычат и даже гудят, причём последний звук может напоминать сирену или одну ноту, сыгранную на валторне. И когда дело доходит до того, какой звук необходимо издать, центральную роль играет средний отдел мозга рыб. Как и у людей.
Интересно, что первоначально Басса привлекли к исследованиям не рыбы, а
птицы. Его вдохновили основополагающие исследования вокализации птиц, проведённые в 1990-х годах, в частности, исследование среднего мозга вьюрков.
«Честно говоря, именно чтение этой работы, когда я был аспирантом, заставило меня воодушевиться этой возможностью», - говорит он. «Я подумал, мы все знаем, что у рыб есть похожая часть мозга».
Связь среднего мозга с общением рыб
До сих пор деятельность среднего мозга была недостаточно изучена, когда речь заходила о том, как она позволяет различным видам животных - в том числе и людям - общаться вокально, будь то рыбьи гулы или человеческие предложения. Но в исследовании, опубликованном в начале января этого года в журнале Nature Communications, рассматривается, как эти вокальные звуки, заложенные в среднем мозге рыб, могут помочь понять управление голосом и его выражение у людей и других позвоночных.
«Только в последние несколько лет средний мозг стал привлекать больше внимания нейробиологов, изучающих социальную коммуникацию», - говорит Басс в своём заявлении. «Он является основным узлом, связанным с корой головного мозга, базальными ганглиями, миндалиной и гипоталамусом. Таким образом, он действует как шлюз, через который эти источники исполнительных функций достигают других областей мозга, активируя мышцы, лежащие в основе поведенческих действий».
Фото: exoticzoo.com.ua
По словам Басса, анализ общения рыбы-мичмана может также дать подсказки о том, могут ли повреждения среднего мозга у людей быть связаны с тем, что человек немой или необщительный. Погружение Басса в нейробиологию акустической коммуникации пришлось как нельзя кстати.
Тема вокализации у разных видов - особенно в свете того, что она может раскрыть происхождение человеческой речи - изучена крайне недостаточно.
И хотя это накладывает бремя работы на будущие исследования, это также означает, что для данной области наступило время невероятных открытий.
В ноябре учёные из Цюрихского университета объединились с международной группой исследователей, чтобы провести исследование акустической коммуникации среди 53 видов животных, включая черепах и других амфибий.
«Необходимы новые исследования, чтобы лучше понять использование этих звуков данными животными, а также их социальное поведение и когнитивные функции», - отметил ведущий исследователь Габриэль Йоргевич-Коэн в ноябре 2022 года в журнале Salon. «Исследования вокального поведения во время перехода от воды (рыбы) к суше (тетраподы) также могут помочь прояснить, появилось ли это поведение за 400 миллионов лет до настоящего времени, как мы предполагаем, или это на самом деле гораздо более древнее поведение, которое мы можем разделять с некоторыми видами костистых рыб».
Одна из причин, по которой мозг рыбы может быть так полезен для понимания мозга человека, заключается в том, что учёным просто легче получить к нему доступ. Если представить себе форму типичного человеческого мозга, то средний мозг располагается глубоко в его плоти, в верхней части ствола мозга. Но мозг рыбы имеет вытянутую форму и больше похож на трубку. Это означает, что учёные могут получить гораздо более лёгкий доступ к различным ключевым частям для изучения.
Изучая деятельность среднего мозга рыбы-мичмана, исследовательская группа Басса обнаружила, что звуки, издаваемые самцами рыб во время кормёжки, охраны гнезда и ухаживания, имеют свои отличительные особенности, которые можно наблюдать в активированных нейронах околоводопроводного серого вещества (также известное как периакведуктальное серое вещество - PAG) рыбы.
Всплеск электрической активности в нейронах PAG вызывает ответную реакцию мозга, в результате которой мышцы рыбы, связанные со звуком, начинают двигаться, и в среднем мозге начинает происходить дополнительное структурирование сигналов.
Фото: exoticzoo.com.ua
Эти сигналы «имеют частотную и амплитудную составляющие, и рыбы по-разному связывают звуки», - говорит Басс. «Возможно, эти звуки означают агрессию или служат для спаривания - например, попытка привлечь партнёра в гнездо, что самцы рыбы-мичмана делают с помощью своего гудения».
Исследователи также отметили, что поражение PAG, в частности, приводит к мутизму у людей, что указывает на важную роль, которую эта область играет в вокальной коммуникации.
«Как и у млекопитающих, вокально активная область PAG (в мозге некоторых рыб) получает нейромодуляторные сигналы. Инактивация этой области лидокаином или дофамином эффективно заглушает вызванные передним мозгом вокальные звуки. В совокупности эти исследования позволяют предположить, что область PAG в среднем мозге играет важную роль в контроле вокальной моторики у млекопитающих и не млекопитающих позвоночных», - говорится в исследовании.
Изучение акустических коммуникаций
Чтобы смоделировать акустические коммуникации, исследователи изучили вокальные партии не только рыб и людей. Для сравнения использовались песни зябликов и японских перепелов, крики беличьих обезьян (саймири) и даже ультразвуковые вокализации домовых мышей. Примечательно, что, несмотря на большое разнообразие типов голосовых органов у животных, учёные всё же обнаружили общие закономерности в вокально-акустических особенностях.
«Наши результаты показывают, что рыбы и млекопитающие имеют общие функционально сопоставимые периакедуктальные серые узлы, которые могут влиять на акустическую структуру вокальных сигналов, специфичных для социального взаимодействия», - говорит Басс в своём заявлении.
Объясняя значение своей работы для будущего понимания человеческого мозга, Басс сравнил активность трёх основных областей мозга человека со слаженной музыкой оркестра. От инстинктивной и эмоциональной лимбической системы в переднем мозге «музыка мотивации» переходит в средний мозг, где начинают высвечиваться системы и схемы, пока активность не переходит в задний мозг и наши мышцы не начинают действовать. По его словам, цель в работе с людьми - узнать, как эта музыка передаётся по системам мозга.
«Нет какой-то одной части мозга, которая бы управляла вашим поведением. Это множество различных областей, которые должны быть скоординированы различным образом», - говорит Басс. «Мы изучаем рыбу отчасти потому, что её поведение проще. И поэтому мы считаем, что можем действительно добраться до фундаментальных характеристик, которые позволяют их мозгу осуществлять успешное поведение».
Дело не только в том, что мозг рыб похож на трубку и в него легче вставить пару электродов, чем в человеческий мозг. Дело в том, что кровеносно-электрические основы человеческого мышления и поведения всё ещё настолько сложны и загадочны, что необходимо фундаментальное научное понимание того, как работают более простые системы мозга, если учёные хотят воспользоваться преимуществами технологического прогресса в нейронауках будущего.
Фото: dzen.ru
«Мы можем только надеяться, что проделанная нами работа поможет тем, кто изучает более сложные мозги, например, млекопитающих, включая приматов и человека. Благодаря совершенствованию технологий, микроскопии и оптических методов наступит день, когда мы сможем увидеть, что делают эти части мозга в нашем собственном мозге, когда мы занимаемся разными делами», - сказал Басс. «Мне кажется, что работа, которую мы проводим, действительно помогает заложить основу для будущих исследований такого рода».