Вокализации человека, летучих мышей, китов, тюленей и певчих птиц сильно отличаются друг от друга. Например, людей и птиц разделяет около 300 миллионов лет эволюции. Но ученые, изучающие, как эти животные учатся «говорить», снова и снова замечают удивительное сходство в связях в областях мозга, которые поддерживают это голосовое обучение.
В статье , опубликованной в журнале Science, межинституциональная группа под руководством ученых из Университета Карнеги-Меллон и Калифорнийского университета в Беркли обнаружила части генома, как внутри генов, так и вне их, которые эволюционировали и связаны с голосовыми связями.
Применяя подход машинного обучения, называемый набором инструментов для вывода о сохранении тканей (TACIT), в системе Bridges-2 Питтсбургского суперкомпьютерного центра, лаборатория Андреаса Пфеннинга выявила 50 регуляторных элементов генов из мозга людей, летучих мышей, китов и тюленей, которые обладают более сильными отношение к вокализации. Эти регуляторные элементы представляют собой последовательности ДНК вне самих генов, которые определяют, какие гены в каких тканях активны.
Ученые пришли к пониманию того, что регуляторные элементы играют большую роль в эволюции поведения. Но изучать их оказалось гораздо сложнее, чем изучать гены.
«Новые методы искусственного интеллекта были необходимы, чтобы помочь найти эволюционные сигналы в регуляторных элементах в сотнях геномов», — сказал Пфеннинг, автор-корреспондент нового исследования и доцент кафедры вычислительной биологии Рэя и Стефани Лейн КМУ, связанной с Институтом нейробиологии и Отдел биологических наук. «Мы вступаем в захватывающую эпоху, когда искусственный интеллект улучшает нашу способность отслеживать эволюционную историю человека. Изучение регуляторных элементов генов требует построения карты того, какие из них активны в соответствующей области мозга видов, способных обучаться вокалу».
Эта соответствующая область мозга была обнаружена в ходе экспериментов, проведенных в лаборатории Майкла Ярцева из Калифорнийского университета в Беркли, еще одного автора-корреспондента. Они обнаружили доказательства того, что определенная часть мозга египетской летучей мыши имеет сходные нейронные связи с той частью человеческого мозга, которая контролирует производство речи.
«Очень немногие млекопитающие на самом деле способны запоминать звуки, которые они издают, что очень затрудняет изучение этого основного аспекта человечества», — сказал Ярцев, доцент кафедры биоинженерии и нейробиологии Калифорнийского университета в Беркли. «Мы смогли выявить параллели между летучими мышами и людьми в структурных элементах мозга, генетическом содержании и даже нейронных схемах , которые контролируют обучение вокалу».
Как гены , связанные с обучением вокалу, так и генные регуляторные элементы, обнаруженные в этом исследовании, также имеют тенденцию находиться в частях генома, связанных с расстройствами аутистического спектра. Это открытие предполагает, что изучение истории эволюции человеческого генома может дать ключ к пониманию того, как он влияет на здоровье человека.
«Типы клеток, которые образуют долгосрочные связи в мозгу человека и летучей мыши, — это те же самые клетки, которые мы обнаружили как наиболее важные для обучения вокалу на основе генетического анализа », — сказал Пфеннинг. «Анатомия и генетика указывают на один и тот же механизм, лежащий в основе эволюции вокального обучения у млекопитающих и производства речи у людей».
Теги: млекопитающие, музыка, птицы
