雄のキンカチョウは、オーストラリア中部に生息する小型の鳴禽類で、父親のさえずりを真似ることで自らのさえずりを学習します。交尾の合図としても使われるこれらのさえずりは、幼い鳥が耳にした音を真似て試行錯誤する中で、生涯の早い段階に発達します。
MITの神経科学者らは、この学習過程を支える脳活動を明らかにしました。鳥が最初に習得する音節をコードする神経活動の系列は複製され、わずかに変化することで、鳥は元の音節のいくつかの変化形を発声できるようになります。やがてこれらの音節は連なり、一生変わらない鳥固有のさえずりになります。
「ここでの利点は、新しい音節を学ぶ際にゼロから学ぶ必要がないことです。既に学んだものを再利用し、わずかに修正すればよいのです。さまざまな種類の音節を学ぶための効率的な方法だと考えています」と語るのは、MITの元大学院生で本研究の筆頭著者であるTatsuo Okubo氏です。本研究は11月30日付のオンライン版『 Nature』に掲載されました。
Okubo氏らは、このような神経系列の複製は、他の種類の運動学習の基盤にもなっている可能性があると考えています。例えば、テニスラケットを振るために使われる系列が、ピンポンのような類似の動作に再利用されるかもしれません。「これは、タイミングが関わるあらゆることのために、系列が学習され再利用される仕組みのように思えます」と、本論文の共著者でもあるMITの大学院生Emily Mackevicius氏は語ります。
本論文の上席著者は、MITの脳・認知科学教授であり、McGovern Institute for Brain Researchの研究者でもあるMichale Fee氏です。
突如としてさえずる
Fee氏の研究室によるこれまでの研究では、大脳皮質の一部であるHVCが、さえずりの生成に不可欠であることが分かっています。
通常、各さえずりは約1秒続き、複数の音節で構成されます。Fee氏の研究室は、成鳥においてHVCの個々のニューロンが、さえずりの中の一つの瞬間に、約10ミリ秒以下というごく短い活動の爆発（バースト）を示すことを発見しています。異なるニューロン群は異なる時点で活動し、さえずり全体は、このバーストの系列によって表現されます。
今回の『 Nature 』誌に掲載された研究では、研究者らは、孵化したばかりのキンカチョウにおいて、こうした神経パターンがどのように発達するのかを明らかにしようとしました。そのために、孵化後最長3か月間にわたり、HVCのニューロンの電気活動を記録しました。
キンカチョウは孵化後約30日でさえずりを始めると、ヒトの赤ちゃんの喃語に似た、サブソングと呼ばれる意味を持たない音節のみを発します。当初、これらの音節の持続時間は大きくばらつきますが、1週間ほど経つと、約100ミリ秒続く、プロトシラブルと呼ばれるより一定した音へと変化します。各鳥は、後続の音節の足場となる一つのプロトシラブルを学習します。
研究者らは、HVC内では、各鳥が最初に学習するプロトシラブルに対応して、ニューロンが短いバーストの系列として発火することを発見しました。HVC内のニューロンの大半はこの元の系列に関与していますが、時間の経過とともに、これらのニューロンの一部は元の系列から切り離され、非常によく似た新たな系列を生み出します。この神経系列の連鎖は、異なる音節を生み出すために再利用されうるのです。
「その短い系列から、次の新しい音節のための新たな系列が分岐します」とMackevicius氏は語ります。「そこには冗長性の多い短い連鎖から始まり、音節Aのためのニューロンの一部と、音節Bのためのニューロンの一部が分かれていくのです。」
研究者らによると、この神経系列の分岐は、鳥が3種類から7種類の異なる音節を発声できるようになるまで繰り返し起こります。このプロセス全体には約2か月かかり、その時点で各鳥は最終的なさえずりに落ち着きます。
「これは、運動パターンが進化する非常に自然な方法です。何かを繰り返し、それを形づくることによって。しかし、これまで誰も、脳が実際にどのようにそれを行っているのかを理解するための良いデータを持っていませんでした」と、本研究に関与していないハンター大学心理学教授のOfer Tchernichovski氏は語ります。「本論文の素晴らしい点は、脳の中枢が、単純な反復パターンからより複雑なパターンへのこうした移行をどのように制御しているかを追跡できたことです。」
重複による進化
研究者らは、このプロセスが、進化の過程で新しい遺伝子や形質の生成を駆動すると考えられているものと類似していることに言及しています。
「遺伝子を複製すると、その遺伝子の両方のコピーに別々の変異が生じ、やがて異なる機能を果たすようになることがあります」とOkubo氏は語ります。「運動プログラムにも似たことが言えます。系列を複製し、その後2つの娘運動プログラムを独立して修正することで、それぞれがわずかに異なる働きをできるようになるのです。」
Mackevicius氏は現在、音処理を担う脳の領域からHVCへの入力が、これらの神経系列の形成にどのように寄与するかを研究しています。
掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者：Anne Trafton は MIT News のゲスト寄稿者です。
画像：Rufous-tailed hummingbird（Amazilia tzacatl）が、サンホセの木に巣作りをしている様子。REUTERS/Juan Carlos Ulate.
