Гены связывают пение птиц и человеческую речь
У попугаев есть уникальный образец экспрессии генов в их мозгу, создающий сверхмощный речевой центр, который может дать им возможность быстро усваивать «диалекты» речи попугаев. Фото:Майкл Уайтл / Flickr
В рамкахогромные усилияЧтобы упорядочить и сравнить полные геномы 48 видов птиц, представляющих все основные отряды генеалогического древа птиц, исследователи обнаружили, что у певчих птиц, попугаев и колибри обучение вокалу развивалось дважды, а может быть, и трижды. Еще более поразительно то, что набор генов, участвующих в каждом из этих нововведений в песнях, удивительно похож на гены, участвующие в способности человека говорить.
Эрих Джарвис - адъюнкт-профессор нейробиологии Медицинской школы Университета Дьюка и исследователь в Медицинском институте Говарда Хьюза. Джарвис сказал:
В течение многих лет мы знали, что пение птиц похоже на человеческую речь - не идентично, а похоже - и что схема мозга тоже похожа.
Но мы не знали, были ли эти особенности одинаковыми, потому что гены тоже были одинаковыми.
Теперь ученые знают, и ответ - да. Птицы и люди используют одни и те же гены, чтобы говорить.
Результаты являются частью пакета из восьми научных статей в специальном выпуске журнала от 12 декабря.Наукаи 21 дополнительная статья, появившаяся почти одновременно вГеномная биология,GigaScience, и другие журналы. Имя Джарвиса фигурирует в 20 статьях, и он является автором-корреспондентом восьми из них.
Лаборатория Джарвиса подготовила ДНК многих видов, используя плоть птиц, собранную за последние 30 лет музеями и другими учреждениями по всему миру.
Вся эта кропотливая и в некоторой степени утомительная работа позволила Джарвису и сотням коллег по всему миру получить беспрецедентный объем геномных данных, созданных BGI в Китае. Для полногеномного сравнения 48 видов птиц потребовались новые алгоритмы, написанные в Университете Иллинойса и Университета Техаса, которые работали в течение 400 лет процессорного времени на трех суперкомпьютерах в США.
Из 29 статей, охватывающих все, от эволюции пингвинов до цветового зрения, восемь посвящены пению птиц.
Одна из новых статей вНаукасообщает, что существует последовательный набор из немногим более 50 генов, которые показывают более высокую или более низкую активность в мозге обучающихся вокалу птиц и людей. Эти изменения не были обнаружены в головном мозге птиц, не обладающих вокалом, и нечеловеческих приматов, которые не говорят, согласно команде Duke, возглавляемой Джарвисом; Андреас Пфеннинг, выпускник программы PhD в области вычислительной биологии и биоинформатики (CBB); и Александр Хартеминк, профессор информатики, статистики и биологии. Джарвис сказал:
Это означает, что птицы и люди, обучающиеся вокалу, более похожи друг на друга по этим генам в областях пения и речи, чем другие птицы и приматы для них.
Эти гены участвуют в формировании новых связей между нейронами моторной коры и нейронами, контролирующими мышцы, производящие звук.
Сопутствующее исследование, проведенное другим доктором CBB, Руй Вангом, рассматривало специализированную активность пары генов, задействованных в областях мозга, которые контролируют песню и речь. Это исследование, появившееся вЖурнал сравнительной неврологииобнаружили, что эти гены регулируются в одной области мозга птиц, разучивающих песни, в ювенильный период их вокального обучения, изменения, которые сохраняются и во взрослом возрасте.
Это исследование и исследование Пфеннинга предполагают, что изменения в этих генах могут иметь решающее значение для эволюции пения птиц и речи человека. Джарвис сказал:
Вы можете найти те же самые гены в геномах всех видов, но они активны на гораздо более высоких или более низких уровнях в специализированных песенных или речевых областях мозга птиц и людей, обучающихся вокалу. Это говорит мне о том, что по мере развития вокального обучения может существовать ограниченный путь развития мозговых цепей.
Центр речи попугая
Еще одна статья вНаукаиз Дьюка под руководством постдока Оцеолы Уитни, Пфеннинг, Хартеминк и Энн Уэст, доцент нейробиологии, изучали активацию генов в различных областях мозга во время пения.
Эта группа обнаружила активацию 10 процентов экспрессируемого генома во время пения с различными паттернами активации в разных участках мозга, изучающих песни. Разнообразие генов лучше всего объясняется эпигенетическими различиями в геномах разных областей мозга, а это означает, что отдельные клетки в разных областях мозга могут регулировать гены в любой момент, когда птицы поют.
Среди трех основных групп птиц, обучающихся вокалу, попугаи явно различаются по своей способности имитировать человеческую речь.
Мукта Чакраборти, постдок из лаборатории Джарвиса, руководил проектом, в котором использовалась активность некоторых специализированных генов, чтобы обнаружить, что речевой центр попугая устроен несколько иначе. У него есть то, что исследователи называют «системой песни внутри песни», в которой область мозга с различной активностью генов для создания песни имеет внешнее кольцо с еще большим количеством различий в экспрессии генов.
По словам Чакраборти, попугаи - очень социальные животные, и способность быстро усваивать «диалекты» попугайской речи может быть причиной их сверхзаряженного речевого центра. «Панцирь» или внешние области были пропорционально больше у видов попугаев, которые, как полагают, обладают самыми высокими вокальными, когнитивными и социальными способностями. К этим видам относятся попугаи амазонки, африканский серый и голубой и золотой ара.
Джарвис также был частью команды с Клаудио Мелло и его аспирантом Морганом Виртлином из Орегонского университета здравоохранения и науки, которые обнаружили еще десять генов, уникальных для регионов певчих птиц, контролирующих пение. Эта статья опубликована в BMC Genomics.
Бумага вНаукапод руководством Чжана, Гилберта и Джарвиса обнаружили, что геномы обучающихся вокалу развиваются быстрее и имеют больше хромосомных перестроек по сравнению с другими видами птиц. Это геномное сравнение также показало, что аналогичные изменения произошли независимо в области разучивания песен в мозге разных птиц.
Джарвис говорит, что знание истории развития речи у птиц делает птиц, обучающихся вокалу, еще более ценными модельными организмами, помогающими ответить на вопросы, которые он и другие исследователи задают о человеческой речи. Джарвис сказал:
Человеческим мозгом трудно изучать речь. Киты и слоны учат речь и песни, но они слишком велики, чтобы их можно было поместить в лабораторию. Теперь, когда у нас есть более глубокое понимание того, насколько области мозга по пению птиц похожи на области речи человека на генетическом уровне, я думаю, что они станут лучшей моделью, чем когда-либо.
Джарвис вместе с Гоцзе Чжаном из Национального генного банка BGI в Китае и Копенгагенского университета и М. Томасом П. Гилбертом из Датского музея естественной истории возглавили Консорциум птичьей филогеномики. Его лаборатория Duke внесла свой вклад в подготовку образцов, секвенирование и аннотирование геномов, выполнение анализов и координацию всего проекта.
Итог: исследователи обнаружили, что у певчих птиц, попугаев и колибри обучение вокалу развивалось дважды, а может, и трижды. Еще более поразительно то, что набор генов, участвующих в каждом из этих нововведений в песнях, удивительно похож на гены, участвующие в способности человека говорить.