1
در یک دفتر خانگی آرام در دورهام، کارولینای شمالی، عصب‌شناس ریچارد مونی با دقت به اسکن‌های رنگارنگ مغز فنچ‌های گورخری نگاه می‌کند.
هر تصویر لحظاتی از زندگی یک پرنده جوان را که در حال یادگیری آوازخوانی است ثبت کرده است – نقاطی از فعالیت عصبی که در سراسر مغز پراکنده شده‌اند، مانند یک نقاشی نقطه‌ای، یا خطوط درخشانی که تغییرات شیمیایی را در حین اجرای انفرادی نشان می‌دهند.
برای مونی، استاد دانشگاه دوک که چهار دهه از عمر خود را صرف مطالعه نحوه یادگیری آواز توسط پرندگان کرده است، این جیرجیرهای ناموزون و صداهای ناهنجار نشانه‌های اولیه چیزی بسیار بزرگ‌تر هستند. او می‌گوید: «آواز آن‌ها در ابتدا خیلی خاص به نظر نمی‌رسد.»
اما همان‌طور که یک کودک برای صحبت‌کردن یا یک پیانیست برای نواختن مقیاس‌های موسیقایی نیاز به تمرین دارد، فنچ‌های گورخری نیز باید ساعت‌ها تمرین کنند – تا ۱۰,۰۰۰ بار در روز به مدت یک ماه – تا بتوانند ملودی‌های پیچیده‌ای را برای جلب توجه جفت تولید کنند.
پرندگان آوازخوان رازهای یادگیری را فاش می‌کنند
اکنون، به لطف پژوهش جدیدی که توسط مونی و جان پیرسون، استاد نورو‌بیولوژی دانشگاه دوک انجام شده، دانشمندان در حال درک این موضوع هستند که چه چیزی این انگیزه بی‌پایان برای بهبود را ایجاد می‌کند – و این موضوع چه اطلاعاتی در مورد فرایند یادگیری به طور کلی ارائه می‌دهد.
یافته‌های این پژوهش که در مجله Nature منتشر شده، دیدگاه جدیدی در مورد چگونگی یادگیری بدون پاداش‌های خارجی ارائه می‌دهد و می‌تواند درک ما از یادگیری حرکتی و اختلالات عصبی در انسان را عمیق‌تر کند.
ردیابی فرایند یادگیری
در آزمایش‌های خود، محققان فنچ‌های گورخری نر جوان – که تنها اعضای آوازخوان گونه خود هستند – را در اتاق‌های عایق صوتی قرار دادند، جایی که می‌توانستند آزادانه تمرین کنند.
این پرندگان در اوایل زندگی خود آهنگ‌های جفت‌گیری را از طریق گوش‌دادن به آواز پدرانشان و به خاطر سپردن ملودی‌ها یاد می‌گیرند. سپس، درست مانند کودکان نوپا که در حال یادگیری گفتار هستند، شروع به تولید اصوات نامنظم کرده و به تدریج آن‌ها را به آهنگ‌های ساختاریافته‌ای که با الگوی ذهنی‌شان مطابقت دارد تبدیل می‌کنند.
برای نظارت بر پیشرفت پرندگان، تیم پیرسون یک مدل یادگیری ماشینی توسعه داد که قادر به تحلیل و امتیازدهی هزاران اجرای آواز در لحظه بود. این روش به محققان امکان داد تا تغییرات عملکرد هر پرنده را لحظه‌به‌لحظه دنبال کنند.
پیرسون می‌گوید: «برخی از تلاش‌ها کمی بهتر بودند و برخی بدتر، اما به طور کلی، هرچه پرندگان بیشتر تمرین می‌کردند، عملکردشان بهبود می‌یافت.»
یادگیری آواز برای لذت آن
در حالی که پرندگان در حال تمرین بودند، تیم تحقیقاتی همچنین سیگنال‌های شیمیایی را در عقده‌های پایه‌ای مغز – منطقه‌ای که در یادگیری مهارت‌های حرکتی نقش دارد – تحت نظر گرفتند.
با استفاده از حسگرهای فلورسنت که در حضور دوپامین – یک پیام‌رسان شیمیایی کلیدی برای پاداش و انگیزه – روشن می‌شدند، پژوهشگران فعالیت این ماده را در لحظه دنبال کردند.
آن‌ها به کشفی شگفت‌انگیز دست یافتند: هر بار که یک پرنده تمرین می‌کرد، سطح دوپامین افزایش می‌یافت، صرف‌نظر از اینکه آوازش چقدر خوب بود.
چه پرنده نت‌های درست را می‌خواند یا نه، صرف تلاش برای خواندن باعث فعالیت در سیستم پاداش مغز می‌شد.
مغزی که برای یادگیری طراحی شده است
سیگنال دوپامین حتی زمانی که پرنده نسبت به مرحله رشد خود بهتر از حد انتظار می‌خواند، افزایش بیشتری داشت و هنگام افت عملکرد، اندکی کاهش می‌یافت.
این تغییرات نشان می‌دهد که مغز پرندگان به طور طبیعی بهبود را تقویت کرده و اشتباهات را به آرامی اصلاح می‌کند – بدون هیچ بازخورد خارجی.
مونی توضیح می‌دهد: «هیچ‌کس به پرنده نمی‌گوید که آیا دانش‌آموز ممتازی است یا باید تنبیه شود. آن‌ها در اتاق‌های عایق صوتی به تنهایی تمرین می‌کردند.»
در عوض، این مطالعه نشان می‌دهد که دوپامین مانند یک راهنمای درونی – یک نوع قطب‌نمای عصبی – عمل کرده و به پرندگان کمک می‌کند تا در طول زمان خود را تنظیم کرده و پیشرفت کنند. این سیستم انگیزه درونی ممکن است توضیح دهد که چگونه یادگیری حتی بدون پاداش یا تنبیه ادامه می‌یابد.
دوپامین به یادگیری انگیزه می‌دهد
محققان همچنین نقش یک ماده شیمیایی دیگر را در این فرایند شناسایی کردند: استیل‌کولین، که بر توجه و یادگیری تأثیر دارد.
کی، نویسنده اصلی این مطالعه، نشان داد که استیل‌کولین می‌تواند ترشح دوپامین را هنگام آوازخوانی تحریک کرده و انگیزه بیشتری برای پرنده ایجاد کند.
اما وقتی تیم تحقیقاتی ترشح دوپامین یا استیل‌کولین را در عقده‌های پایه‌ای متوقف کرد، نتایج بسیار قابل‌توجه بود.
مونی توضیح می‌دهد: «یادگیری تقریباً متوقف شد. پرنده همچنان زیاد آواز می‌خواند، اما به نظر نمی‌رسید که بتواند از تمریناتش چیزی یاد بگیرد.»
تأثیرات بر یادگیری انسان
در حالی که این آزمایش‌ها روی فنچ‌های گورخری انجام شد، نتایج آن بسیار فراتر از علوم اعصاب پرندگان می‌رود. سیستم‌های عقده‌های پایه‌ای، دوپامین و استیل‌کولین که در یادگیری این پرندگان نقش دارند، در تمام مهره‌داران – از جمله انسان – مشترک هستند.
پیرسون می‌گوید: «این یافته‌ها در سراسر گونه‌ها قابل تعمیم هستند. اساساً هر حیوانی که ستون فقرات دارد، این سیستم‌های مغزی را دارد.»
درک چگونگی عملکرد این سیستم‌های انگیزه درونی می‌تواند روشن کند که انسان‌ها چگونه مهارت‌های پیچیده‌ای مانند صحبت‌کردن، نواختن یک ساز یا حتی اجرای حرکات نمایشی را می‌آموزند.
از این نظر، مونی می‌گوید: «یادگیری آواز پرندگان بسیار شبیه به کاری است که کودکان هنگام یادگیری خودجوش این مهارت‌های شگفت‌انگیز انجام می‌دهند.»
پرندگان آوازخوان، مدل مطالعاتی برای یادگیری
این پژوهش همچنین می‌تواند به درک بهتر اختلالات عصبی کمک کند. اختلال عملکرد دوپامین در عقده‌های پایه‌ای با بیماری‌هایی مانند پارکینسون و اسکیزوفرنی مرتبط است.
مطالعه یادگیری در پرندگان آوازخوان به پژوهشگران این امکان را می‌دهد که اصول اساسی این فرایند را در یک سیستم ساده‌تر بررسی کنند.
پیرسون می‌گوید: «درک این مناطق بسیار مهم است و پرندگان ابزاری برای دستیابی به این اصول هستند.»
برای مونی، اهمیت این پژوهش هم علمی است و هم عمیقاً انسانی.
او نتیجه می‌گیرد: «از میان تمام مرزهای علمی که هنوز باقی مانده‌اند، مغز احتمالاً کمترین میزان درک را دارد. و این درک برای انسان بودن اساسی است.»