Un pinzón cebra macho interpreta un canto de cortejo como una secuencia rápida y repetible. Las notas introductorias conducen a un motivo de sílabas aprendidas, que a menudo se completan en menos de un segundo. Para el oyente, es un pájaro emitiendo un sonido. Dentro del cerebro, dos poblaciones premotoras deben avanzar juntas a través de esa actuación, una en cada hemisferio.
Grabaciones simultáneas de ambas partes revelaron cuán exacta es la asociación. Durante el canto, los estallidos neuronales en el núcleo robusto del arcopalio, o RA, permanecían coordinados en una fracción de milisegundo. Durante el sueño, las mismas poblaciones neuronales producían una repetición similar a una canción sin ese estrecho bloqueo bilateral. Un lado podría coincidir con una nota introductoria mientras que el otro coincidiría con la sílaba de una canción.
La imagen de un pájaro dormido ensayando en silencio dos versiones a la vez sólo es útil hasta cierto punto. Los investigadores decodificaron patrones eléctricos asociados con elementos vocales; no escucharon al pájaro cantar dos canciones, ni leer un sueño ni demostrar que la repetición sirve para el ensayo. Lo que establecieron es un cambio brusco en la forma en que el mismo circuito motor bilateral se coordina en todos los estados de comportamiento.
Una canción depende de una maquinaria premotora emparejada.
Margot Elmaleh y sus colegas informaron sobre el trabajo en un estudio de Current Biology de 2023. Se centraron en la AR, una región de salida motor-cortical en la vía de producción de canciones. La actividad de la población allí sigue el progreso momento a momento del canto de cortejo durante la vocalización y reaparece en estallidos relacionados con el canto durante el sueño.
Muchos núcleos importantes de control del canto existen como copias izquierda y derecha sin un puente directo entre las regiones correspondientes del prosencéfalo. Sin embargo, los lados no pueden simplemente realizar programas motores no relacionados cuando el pájaro canta. La alteración unilateral puede eliminar o degradar la producción vocal, y las dos mitades del órgano vocal y el sistema respiratorio deben contribuir a un sonido ordenado con precisión.
Los investigadores implantaron bilateralmente sondas de silicio de 128 canales. Durante el análisis del canto activo, registraron un promedio de aproximadamente 47 neuronas RA por ave en el lado derecho y 46 en el izquierdo en cuatro pinzones cebra machos adultos. Cuando un pájaro cantaba, las neuronas de la AR pasaban de la activación tónica normal a breves ráfagas de alta frecuencia cuyo ritmo está ligado a la producción vocal.
Este tipo de secuencia neuronal se ajusta a una línea más larga de investigación sobre el pinzón cebra. ScienceBlog describió anteriormente cómo las explosiones neuronales sincronizadas con precisión corresponden a sílabas de canciones sucesivas. Las nuevas grabaciones bilaterales preguntaron si ambos hemisferios se mueven juntos a través de esa secuencia.
“Una fracción de milisegundo” provino del tiempo de ráfaga
El equipo comparó interpretaciones repetidas de cada sílaba. Algunas pruebas se desarrollaron un poco más rápido o más lento que el promedio de las aves, pero esos cambios coincidieron en todos los hemisferios. Las redes izquierda y derecha no estiraron independientemente la misma sílaba en cantidades diferentes.
Para examinar una sincronización más precisa, los investigadores midieron hasta qué punto los eventos de ráfaga individuales se desviaban de una progresión ajustada en cada prueba. La mediana de los residuos fue de 0,40 milisegundos a la derecha y de 0,45 milisegundos a la izquierda. En 14 de 15 sílabas en cuatro pájaros, las dos distribuciones fueron estadísticamente equivalentes.
Una comparación más directa preguntó si la actividad del hemisferio opuesto podría predecir una explosión tan bien como la actividad del mismo hemisferio. Podría. La mediana residual fue de 0,42 milisegundos para el ajuste transversal y de 0,41 milisegundos para el ajuste del mismo lado.
Ésa es la evidencia detrás de la coordinación en submilisegundos.
Esto no significa que el estudio haya medido dos formas de onda de audio que golpean el aire con una diferencia de 0,42 milisegundos. Significa que la dinámica de la población premotora bilateral se predijo entre sí con esa precisión a medida que se desarrollaba la canción.
Por la noche, el amplio estado permaneció compartido pero el bloqueo de milisegundos se disolvió.
Los experimentos de sueño incluyeron siete pájaros, cuatro de los cuales contribuyeron a la decodificación detallada del contenido. Las aves se registraron durante la noche mientras se les fijaba la cabeza. Cámaras infrarrojas observaron ambos ojos y pequeños sensores monitorearon la temperatura del cerebro en ambos lados. Esas medidas ayudaron a distinguir la repetición independiente de una posibilidad más simple de que un hemisferio estuviera despierto mientras el otro dormía.
La excitación nocturna fue ampliamente simétrica. Se coordinaron las aperturas de los ojos, las fluctuaciones bilaterales de temperatura se siguieron unas a otras y los cambios lentos en el estallido de la AR subieron y bajaron juntos en ventanas de aproximadamente 100 segundos. Ambos bandos estaban entrando en un estado permisivo compartido para la repetición.
La independencia surgió en escalas de tiempo relevantes para las canciones.
Con una resolución de un milisegundo, los dos hemisferios estallaban juntos el 98,9 por ciento del tiempo durante la canción activa, pero sólo el 26,4 por ciento durante el sueño. Podrían ocurrir ráfagas de sueño unilaterales en cualquier lado, con una ligera preferencia por el hemisferio derecho.
Esa diferencia no parecía ser una simple progresión a lo largo de la noche. Las proporciones de estallidos bilaterales y unilaterales no cambiaron significativamente entre períodos de dos horas cerca del comienzo y el final del sueño. La coordinación fina se redujo a lo largo de los períodos nocturnos muestreados.
Cada lado podría señalar un lugar diferente en el repertorio vocal.
La explosión neuronal por sí sola muestra cuándo ocurre una actividad similar a una repetición, no lo que representa. Por lo tanto, los investigadores utilizaron un decodificador desarrollado en su estudio anterior sobre la repetición del sueño premotor. Hicieron plantillas a partir de la actividad de la población registrada durante una nota introductoria, una interpretación de una canción de cortejo y una llamada a distancia.
Los datos se dividieron en contenedores de seis milisegundos escalonados cada tres milisegundos. Para cada hemisferio por separado, se asignó un contenedor de sueño a la porción de una plantilla vocal con el patrón más similar de explosión de neuronas. Este contenido reconstruido es una inferencia de la similitud de la población, no una pista de audio literal extraída del sueño.
Aproximadamente el 75 por ciento de la actividad de repetición coincidió con la canción de cortejo, independientemente de si la explosión fue solo por la izquierda, solo por la derecha o simultánea. Entre todos los eventos de repetición detectados, el 11,2 por ciento eran heterotípicos: un hemisferio coincidía con una canción de cortejo mientras que el otro coincidía con una nota introductoria o una llamada a distancia. En un ejemplo claro, la actividad del lado izquierdo coincidía con una nota introductoria al mismo tiempo que la actividad del lado derecho coincidía con la sílaba “c”.
Ni siquiera la repetición simultánea de canciones de cortejo estaba alineada. Cuando ambos hemisferios coincidían con la canción, señalaban la misma sílaba sólo el 28,9 por ciento de las veces. Su separación media decodificada a lo largo de la plantilla de la canción fue de 53,6 milisegundos durante el sueño. Durante la vocalización real, la separación media comparable fue de 1,9 milisegundos.
La medida de distancia de plantilla de 1,9 milisegundos y la medida de ajuste de ráfaga de 0,42 milisegundos responden a preguntas diferentes, por lo que no son contradictorias. Ambos muestran una estrecha coordinación activa, mientras que los resultados del sueño muestran que los lados pueden revisitar diferentes fragmentos vocales a la vez.
El cerebro puede generar sincronía activamente cuando se debe interpretar una canción
El cambio de estado invierte una suposición intuitiva. Uno podría imaginar que los dos hemisferios están permanentemente acoplados y que el sueño simplemente debilita todo el circuito. En cambio, la excitación lenta siguió siendo bilateral mientras se relajaba la coordinación precisa del contenido. El cerebro dormido conservaba un escenario común sin necesidad de que los dos intérpretes leyeran el mismo compás.
Cómo el canto activo impone la sincronía sigue siendo un problema de circuito abierto. Un candidato es el núcleo talámico motor Uvaeformis o Uva. Recibe información relacionada con el tiempo asociada con los centros respiratorios bilaterales y se proyecta hacia el cerebro anterior de la canción. Un estudio de Nature de 2023 del mismo grupo encontró que la entrada talámica ayuda a impulsar los inicios vocales, lo que lo coloca bien para proporcionar o transmitir una señal de sincronización común.
El sistema necesita dicha señal porque la secuencia aprendida no es suficiente por sí sola. Como se explicó en un relato anterior de ScienceBlog sobre la decodificación de las sílabas previstas del pinzón cebra a partir de señales neuronales, la actividad de la población transporta información sobre qué sílaba viene y cuándo ocurrirá. El rendimiento físico requiere que esas dimensiones converjan en todo el aparato motor.
Durante el sueño no es necesario realizar ningún cortejo audible. Las condiciones neuromoduladoras pueden permitir que las poblaciones de AR exploten y reproduzcan sin activar el mecanismo que fuerza un acuerdo bilateral exacto durante el canto.
Llamar a este ensayo de dos pistas va más allá del experimento.
Hay buenas razones para la metáfora del ensayo. La actividad neuronal asociada con el canto aprendido reaparece durante el sueño y el sueño afecta el desarrollo vocal en las aves jóvenes. ScienceBlog cubrió anteriormente el hallazgo contradictorio de que los pinzones cebra juveniles a menudo cantan peor después de dormir antes de mejorar su desarrollo.
Este estudio, sin embargo, utilizó hombres adultos con canciones altamente estereotipadas. Comparó la dinámica del circuito bilateral durante el canto y el sueño. No perturbó la repetición nocturna, no probó la consolidación de la memoria, no midió la mejora a la mañana siguiente ni preguntó si la repetición independiente ayuda a preservar la canción.
Una coincidencia decodificada tampoco equivale necesariamente a una experiencia consciente. “Repetición” significa que una población neuronal dormida se parecía a su actividad durante un elemento vocal conocido. Es posible que el pájaro no escuche una canción interior, imagine una actuación alternativa o experimente algo comparable a un sueño musical humano.
El resultado defendible ya es inusual. Durante el canto de cortejo, dos sistemas premotores separados progresan con una precisión mutua de submilisegundos. Durante el sueño, pueden entrar en el mismo estado fisiológico general y, al mismo tiempo, volver a visitar de forma independiente el repertorio vocal aprendido, a veces uniendo diferentes fragmentos en el mismo momento.
Un pájaro produce una canción cuando está despierto. Por la noche, sus dos hemisferios no tienen por qué permanecer en el mismo lugar.