Vorbirea umana a fost intotdeauna o ciudatenie in regnul animal. Doar cateva alte animale, inclusiv lilieci, balene, foci, elefanti si unele pasari, cum ar fi pasarile cantatoare sau papagalii, prezinta vocalizari care incep sa se apropie de complexitatea vorbirii umane. Cu putine rude apropiate de mamifere impartasind darul gabului – pe care cercetatorii o numesc invatare vocala – oamenii de stiinta s-au straduit sa identifice bazele neuronale si genetice ale acestei abilitati remarcabile.
Intr-o lucrare publicata astazi in revista Science , o echipa condusa de oameni de stiinta de la Universitatea din California, Berkeley si Universitatea Carnegie Mellon a identificat partea creierului la liliecii egipteni de fructe care controleaza vocalizarile si a descoperit ca contine cabluri neuronale foarte asemanatoare cu partea a creierului uman care controleaza vorbirea.
Echipa a comparat apoi mecanismul genetic din aceasta parte a creierului liliecilor cu genomul a sute de alte mamifere si, cu ajutorul invatarii automate, a identificat o serie de elemente de reglare genetica care sunt foarte asociate cu invatarea vocala la oameni si alte mamifere.
Unele dintre aceste elemente genetice au fost anterior legate de dizabilitatile de vorbire la om, inclusiv tulburarea din spectrul autismului. Intelegand bazele genetice, neuronale si evolutive ale invatarii vocale la lilieci si alte mamifere, cercetatorii spera sa faca lumina asupra altor tipuri de patologie a vorbirii.
„Foarte putine mamifere sunt de fapt capabile sa invete sunetele pe care le scot, ceea ce face foarte dificila studiul acestui aspect de baza al umanitatii”, a spus autorul corespondent al studiului Michael Yartsev, profesor asociat de bioinginerie si neurostiinta la UC Berkeley. „Am reusit sa identificam paralele intre lilieci si oameni in elementele structurale ale creierului, continutul genetic si chiar circuitele neuronale care controleaza invatarea vocala”.
„Papusarul” vocal al creierului
Pentru a identifica zonele creierului liliecilor asociate cu invatarea vocala, autorii studiului Julie E. Elie si Tobias Schmid, care lucreaza in Neurobat Lab al lui Yartsev de la UC Berkeley, au folosit dispozitive de inregistrare fara fir pentru a „asculta” creierul unui grup. de lilieci de fructe egipteni in timp ce vocalizau liber. Cercetatorii au folosit apoi trasori moleculari pentru a vizualiza modul in care acesti neuroni se conecteaza cu alte zone ale creierului liliecilor.
Experimentele de urmarire au evidentiat o legatura neuronala directa intre cortexul motor si neuronii care controleaza laringele, sau cutia vocala, la lilieci. Aceasta conexiune neuronala directa actioneaza ca un „papusar” vocal si le-ar oferi liliecilor un control precis asupra inaltimii apelurilor lor.
Legaturi similare au fost observate la pasari cantatoare si la oameni, dar nu si la alte mamifere sau primate.
Un videoclip 3D reconstruit arata calea trasoarelor moleculare (rosii) care au fost folosite pentru a mapa conexiunile neuronale legate de invatarea vocala in creierul unui liliac. Trasoarele au fost injectate in zona creierului care controleaza invatarea vocala, numita cortexul motor orofacial (zone mari rosii in partea de sus). Fibrele neuronale parcurg prin creier pana la trunchiul cerebral, unde se termina in nucleul motor care controleaza muschii laringieni.
„Aceasta ipoteza este ca atunci cand esti un invatat vocal, se asteapta sa ai aceasta legatura”, a spus Elie. „Inainte de acest studiu, oamenii de stiinta comparau oamenii si pasarile, care sunt foarte departe unul de celalalt pe arborele evolutiv. Cu aceasta lucrare, acum ne apropiem de mamifere si gasim corelatii similare ale invatarii vocale – acesti neuroni de proiectie directa si genetica. masinaria care merge cu ei – in creierul liliecilor.”
Co-primul autor al studiului, Morgan Wirthlin, si co-autorul corespondent Andreas Pfenning, profesor asociat de biologie computationala la Universitatea Carnegie Mellon, au folosit apoi o abordare de invatare automata numita TACIT pentru a analiza elementele genetice din zonele creierului liliecilor asociate cu productia vocala. . Cand au comparat aceste elemente genetice cu cele ale altor 222 de mamifere – atat cursanti vocali, cat si cursanti non-vocali – au identificat 50 de elemente de reglare a genelor care sunt foarte corelate intre cei care invata vocal, inclusiv oameni, lilieci, balene si foci. Elementele de reglare sunt secvente de ADN din afara genelor reale care directioneaza care gene sunt active in anumite tesuturi.
„Am descoperit ca tipurile de celule care formeaza conexiuni pe distanta lunga in creierul uman si al liliecilor sunt aceleasi pe care le-am descoperit ca fiind cele mai relevante pentru invatarea vocala pe baza analizei genetice”, a spus Pfenning. „Anatomia si genetica indica ambele acelasi mecanism care sta la baza evolutiei invatarii vocale la mamifere si a productiei de vorbire la oameni”.