Як пісня солов’я створює суперечливі ноти - розуміння експериментів на тваринах
В Інституті орнітології Макса Планка в Севізені нейробіолог доктор Даніела Валлентін та її команда на солов'ї. Фото: Dr. Сюзанна Сельтманн (MPI Ornithology)
Як мозку вдається забезпечити складну комунікацію між особами, що страждають? Нейробіолог доктор Даніела Валлентін на прикладі віртуозних пісень солов’їв. Разом зі своєю робочою групою вона хотіла б за допомогою співочих птахів краще зрозуміти нервову основу для інтерактивного виробництва пісень у мозку.
Спочатку це мали робити відомі Європейська дослідницька рада ERC чудовий проект, що фінансується на 1,5 мільйона євро, буде здійснений у Вільному університеті в Берліні. Але там це швидко стало політичним питанням. Як результат, Даніела Валлентін та її робоча група були мішенню крайніх противників експериментів на тваринах та Інтернет-кампаній, і навіть їм довелося взяти особистий захист. Невробіолог працює в Інституті орнітології імені Макса Планка в Сеєвізені, Баварія, з 2019 року, де реалізує свій дослідницький проект.
В інтерв’ю молода вчена пояснює передісторію та практичну реалізацію дослідницького проекту та розповідає про те, як вона має справу з публічною критикою.
Що вам подобається у ваших дослідженнях?
Лікар. Даніела Валлентін - нейробіолог з Інституту орнітології імені Макса Планка в Севізені. Фото: Dr. Сюзанна Сельтманн (MPI Ornithology)
Лікар. Даніела Валлентін: Незалежно від того, їдемо ми на велосипедах, розмовляємо, пов'язуємо взуття чи насвистуємо мелодію - багато таких повсякденних дій здаються нам природними та невимушеними. Тим більше захоплює те, що необхідні для цього рухові процеси потрібно спочатку вивчити з великими зусиллями та великою практикою, перш ніж вони стануть безперечним успіхом. Як ми вчимося таким рухам? І як змінюється наш мозок, щоб ми могли зберігати і застосовувати те, що щойно дізналися? Ці запитання надихають мене і стимулюють мою дослідницьку роботу.
Я також хотів би краще зрозуміти, як нам вдається спілкуватися словами, тобто звуками, якщо бути точніше. Подумайте лише про останню хорошу розмову, яку ви провели. Ви, напевно, слухали того, хто до вас розмовляв, і одночасно придумували відповідь, з якою реагували лише через кілька сотень мілісекунд. Якби ви не зовсім погодились, можливо, навіть перерізали свою лінію. І як би це не здавалося вам на даний момент, ця здатність представляє неймовірно складну силу мозку. На жаль, ми дуже мало знаємо про те, як наш мозок здійснює це так зване голосове спілкування, тобто здатність слухати і реагувати конкретно на те, що щойно було почуте, елементи керування.
Чому солов’ї?
Валлентін: Солов’їв загалом хвалять за їх прекрасну пісню, особливо той факт, що вони так неодмінно співають навесні майже цілодобово, зачаровує багатьох людей. Справжній шедевр, однак, лежить десь в іншому місці: самці не просто починають співати, а взаємодіють між собою, подібно до людської розмови. У чоловіків солов’їв є репертуар до 200 різних строф, які можна комбінувати та співати по черзі, як потрібно. Однак це робиться не випадковим чином, як це робиться з багатьма іншими видами птахів. Співаки уважно слухають сусідів - навіть поки вони співають - і включають спів свого власного роду у свій власний спів - або навіть намагаються "зробити це краще". Хоча це явище було давно відомо, на початку цього проекту моя робоча група була настільки вражена такою поведінкою, що ми багато ночей слухали солов’їв у їхньому природному середовищі, записували їх та їхні «розмови» щоб краще зрозуміти.
Які там проблеми були?
На нас не націлили емоції через скандал чи проведення несанкціонованих експериментів, а виключно тому, що ми хочемо співпрацювати з солов’єм. Як я вже говорив, ми не обрали цю захоплюючу тварину для своїх досліджень навмання, але з поважної причини.
Що стосується випробувань на тваринах загалом, я не здивований опору, і я частково можу його зрозуміти. Тестування на тваринах, незважаючи на суворе регулювання, завжди обговорюється критично, і це теж нормально. Однак мене здивував непропорційний спосіб, коли організації розміром до Берлінської асоціації захисту тварин нападають на окремих людей, не даючи їм можливості коментувати. Наприклад, онлайн-петиція, спрямована проти нас, не містить імен чи адрес електронної пошти, але той факт, що вони швидко доповнювались коментарями і, отже, були доступні кожному, був передбачуваним і, на жаль, призвів до масових особистих погроз проти мене та моєї робочої групи. Це зайшло настільки далеко, що минулого року особистий захист був необхідний навіть протягом декількох тижнів, щоб гарантувати мою безпеку та безпеку моїх працівників.
Що саме ви хочете дослідити?
У мозку птаха є структура, яка функціонально порівнянна з людським мовним центром: так зване премоторне ядро HVC. Фото: Dr. Сюзанна Сельтманн (MPI Ornithology)
Валлентін: За допомогою співочих птахів ми з моєю групою хотіли б краще пояснити складні нервові основи, необхідні для навчання співу та створення співу.
З людського мозку ми знаємо, що для виробництва мови необхідна так звана премоторна кора, область мозку, яка також включає людський мовний центр. Як саме взаємодіють окремі нервові клітини та ділянки мозку для досягнення цього, в основному невідомо.
У мозку птаха є структура, яка функціонально порівнянна з людським мовним центром: так зване премоторне ядро HVC. Зовсім недавно, наприклад, дослідження показало, що птахи співають повільніше, якщо ця область мозку спеціально охолоджується. Точно таке ж дослідження було проведено на людях - пацієнтах із запланованими мозковими операціями, які зголосились взяти участь у цих тестах, - із абсолютно однаковим результатом: охолодження мовного центру призводить до несвідомого уповільнення мови!
Це одне з багатьох доказів того, що основні нейронні схеми функціонують однаково як у птахів, так і у людей. Звичайно, мозок птаха не функціонує точно так само, як мозок ссавців, і також не працює будь-який мозок ссавців точно так, як мозок людини. Однак основні будівельні блоки, тобто окремі нервові клітини, хімічні вісники та синапси, які використовуються для формування нейронних мереж, здебільшого однакові. Отже, якщо вам вдається зрозуміти такий процес, як навчення птахів детально співати, квазі «на рівні окремих нервових клітин», ви можете дуже добре зробити певні висновки щодо інших видів тварин і, отже, про людей.
Але саме тому, що ця взаємодія між окремими нервовими клітинами та ділянками мозку є настільки складною і тому, що нас цікавить не тільки те, що роблять окремі нервові клітини в собі, але який вплив їх діяльність впливає на всю систему і врешті-решт на поведінку тварини ми все ще маємо покладатися на „інвазивні” дослідження, тобто дослідження на живих тваринах. Однак це також означає, що ми можемо досягти корисних результатів, лише якщо тварини поводяться якомога нормальніше під час експериментів. Це працює лише в тому випадку, якщо тваринам все добре. Тому ми постійно прагнемо оптимізувати наші методи та робити експерименти якомога менш інвазивними та неприємними для тварин. Це також відповідає принципу 3R, особливо вдосконалення.
Як саме виглядають ці експерименти?
Валлентін: Після вилуплення молодих солов’їв ми вирощуємо молодняк вручну. На етапі навчання, тобто протягом перших кількох тижнів після вилуплення, ми потім граємо спеціально підібрані видоспецифічні пісні, які ми попередньо записали для тварин. Таким чином тварини вивчають дуже специфічний голосовий репертуар, який ми точно визначаємо. Таким чином ми знаємо, що тварини знають і можуть, а що не можуть робити. Приблизно через рік, коли тварини починають активно співати, коли досягають репродуктивного віку, під час короткого втручання на знеболеного тварину до голови тварини прикріплюється так званий мікропривід. Це крихітний пристрій, який важить 1,6 грама, що менше 1 монети. Проста екстраполяція ваги до умов людини, як це робили деякі противники експериментів на тваринах, тут не корисна: мурахи, наприклад, можуть без проблем переносити вагу свого тіла у багато разів більше. Пристрої мікроприводу були навіть розроблені для значно менших птахів, таких як зеброві зяблики, і їх також можуть без проблем переносити солов'ї, не обмежуючи їх свободу пересування або поведінки.
За допомогою мікроскопічного отвору в черепці під мікроприводом згодом можна дистанційно вставити тонкий вафельний електрод і виміряти активність окремих нервових клітин, коли соловей взаємодіє з іншими представниками свого виду, а також співає. Така природна поведінка вимагає дуже високого добробуту тварини. Вставляти ці електроди, які в 50 разів тонше людського волосся, абсолютно безболісно для тварин, оскільки в самому мозку відсутні больові рецептори. Шкіра, яку відкрили для прикріплення Microdrive, швидко заживає після операції; цей процес відбувається під введенням знеболюючих препаратів та постійним спостереженням, як і після операції на людях.
Тварини зазвичай залишаються в експерименті кілька днів. Після завершення вимірювань мікропривід потім знову видаляється під коротким наркозом, мікроскопічний отвір в кістці черепа герметично закривається і шкіра над ним знову закривається. Після короткого процесу загоєння тварини можуть продовжувати жити без болю та ускладнень; вони повертаються до утримання як племінних тварин.
Що затверджено?
Валлентін: Весь експеримент був схвалений як урядом Берліна, так і урядом Верхньої Баварії до його початку. З такими схваленнями всі хірургічні втручання під загальною анестезією згідно з Директивою ЄС 2010/63/ЄС, Додаток VIII, класифікуються як середня експозиція, навіть якщо вони вважаються такими ж безболісними, на думку людей, завдяки постійному контролю болю. Самі експериментальні вимірювання проводяться на неспокійному птаху і повинні застосовуватись до них як до невеликих стресів, навіть якщо ми не очікуємо, що на птахів вплинуть пристрій та вимірювання, як я вже сказав. Звичайно, окрім затвердження самих експериментів, ми також маємо дозволи на проведення та розведення наших солов’їв і постійно контактуємо з владою та консультантами з метою подальшої оптимізації умов життя та експериментів.
За яких умов утримуються солов’ї?
Вольєри обладнані різними рослинами, які знаходяться в природному середовищі солов’їв. Фото: Dr. Сюзанна Сельтманн (MPI Ornithology)
Валлентін: На даний момент в інституті є 12 солов’їв, яких тримають у просторих вольєрах на відкритому повітрі в спеціальних відділеннях для розмноження пар (2 м х 4 м). Вольєри встановлюються якомога ближче до природи в тісній співпраці та консультаціях з досвідченими заводчиками. У відсіках, захищених від негоди трьома бічними стінками та напівпрозорим дахом, тварини мають доступ до нагрівальних ламп та підігрітої води при низьких температурах, яку також часто використовують для купання. Також доступні різноманітні варіанти сидіння, розведення та хованки, а також достатньо місця для безперешкодного польоту. Вольєри оснащені багатьма різними рослинами, що трапляються в природному середовищі солов’їв, а також враховується особлива, а часом і неприємна пристрасть тварин до кропиви. Завжди доступна збалансована дієта з фруктів, овочів, спеціальної їжі для м’яких їдачів та широкого кола різноманітних комах, таких як борошняні черв’яки, мурахи та цвіркуни. Через вольєри, частково відкриті назовні, дикі комахи продовжують проїжджати повз, а також - як і в природі - люблять на них полювати і їсти.
Тварин щодня оглядають спеціально навчені зоопарки та ми самі, а в інституті є два співробітники служби захисту тварин, включаючи ветеринара, які перевіряють тварин та їх утримання принаймні щокварталу. При необхідності, звичайно, у будь-який час можна також викликати ветеринара, щоб перевірити стан здоров’я тварин і, якщо потрібно, лікувати їх. Офіційні інспекційні візити, як правило, проводяться два рази на рік, звичайно, також без попередження.
Яка мета дослідження?
Валлентін: Наша робота - це фундаментальне дослідження. Наша мета - зрозуміти, як складна взаємодія нервових клітин мозку забезпечує голосовий зв’язок. Чи можна очікувати пізніше висновків про нейробіологічні процеси у людини, не можна оцінити на даний момент часу. У дітей-аутистів, зокрема, порушується так званий `` поворот голосу '', тобто чергування спілкування. Причина цього досі в основному невідома. Звичайно, бажаним є також внесок у краще розуміння нейронних основ функціонуючої пісні, що чергується, хоча це не заявлена мета нашого дослідження.