Français
English
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
한국어
Русский
Circuit neuronal pour l'authentification sociale dans l'apprentissage de la chanson
Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4442 (2022) Citer cet article
3895 accès
4 Citations
124 Altmétrique
Détails des métriques
Les interactions sociales sont essentielles pour apprendre à communiquer. Dans la parole humaine et le chant des oiseaux, les nourrissons doivent acquérir des schémas de vocalisation précis et apprendre à les associer à des tuteurs vivants et non à des sources mimétiques. Cependant, le mécanisme neuronal de la réalité sociale lors de l'apprentissage vocal reste inconnu. Ici, nous caractérisons un circuit neuronal pour l'authentification sociale à l'appui de l'apprentissage précis de la chanson chez le diamant mandarin. Nous avons enregistré l'activité neuronale dans le centre de contrôle de l'état d'attention/éveil, le locus coeruleus (LC), des oiseaux juvéniles pendant l'apprentissage du chant d'un tuteur adulte vivant. L'activité LC a augmenté avec des informations sociales réelles et non artificielles pendant l'apprentissage qui ont amélioré la précision et la robustesse de la chanson apprise. Au cours de l'apprentissage des chansons sociales en direct, l'activité LC a régulé la réactivité neuronale sélective des chansons à long terme dans une région de la mémoire auditive, le nidopallium caudomédial (NCM). En accord, l'inhibition optogénétique de la signalisation présynaptique LC dans le NCM a réduit la réactivité neuronale du NCM au chant du tuteur vivant et a altéré l'apprentissage du chant. Ces résultats démontrent que le circuit neuronal LC-NCM intègre des preuves sensorielles d'interactions sociales réelles, distinctes des caractéristiques acoustiques de la chanson, pour authentifier l'apprentissage de la chanson. Les résultats suggèrent un mécanisme général pour valider l'information sociale dans le développement du cerveau.
Chez les espèces de vertébrés à communication vocale, l'apprentissage auditif précoce est plus efficace lorsque l'entraînement acoustique s'accompagne d'interactions sociales authentiques avec un tuteur adulte en direct. L'exposition vocale avec des interactions sociales réelles chez les nourrissons humains déclenche le développement de la détection des phonèmes1, tandis que l'exposition auditive passive est insuffisante pour un développement réussi de la parole2. De même, les oiseaux chanteurs juvéniles apprennent à chanter efficacement grâce à la communication vocale avec des tuteurs en direct, mais développent une qualité de chanson médiocre après une exposition passive à la lecture enregistrée des chansons du tuteur3,4,5. Chez les diamants mandarins juvéniles, l'apprentissage des chansons s'améliore lorsqu'ils déclenchent la lecture de chansons6, ce qui suggère que l'état interne, comme l'attention ou la motivation, améliore l'apprentissage. Des preuves récentes suggèrent un rôle de la neuromodulation dans l'apprentissage de la chanson. Le gris périaqueducal du mésencéphale (PAG) facilite la copie vocale pour la transmission culturelle via la signalisation de la dopamine5. Un autre centre de commande majeur de la neuromodulation pour la signalisation noradrénergique (NE), le locus coeruleus (LC), est connu pour moduler l'attention et l'éveil, diffusant des informations sur l'état interne à travers le cerveau. L'activité neuronale LC module les processus comportementaux tels que la mémoire à long terme, la perception sensorielle et la motivation pour faciliter l'apprentissage et la mémoire7,8,9,10,11. L'exposition d'oiseaux juvéniles à un tuteur vivant et chantant augmente l'expression des gènes précoces immédiats dans les neurones LC par rapport aux juvéniles témoins exposés passivement aux mêmes chansons par l'intermédiaire d'un locuteur4. Les neurones LC projettent anatomiquement vers le cortex auditif supérieur aviaire, le nidopallium caudomédial (NCM)12, un locus cérébral proposé pour la formation de la mémoire du chant tuteur13,14. Nous avons récemment rapporté qu'un sous-ensemble de neurones NCM répondait sélectivement au chant du tuteur et que les réponses auditives de ces neurones augmentaient en présence d'un tuteur13,15. Cependant, si l'activité neuronale NCM peut intégrer les informations sociales d'un tuteur, en dehors des caractéristiques acoustiques de la chanson du tuteur, via le LC reste inconnue. Dans cette étude, nous avons enregistré et manipulé l'activité neuronale dans le circuit neuronal LC-NCM de diamants mandarins juvéniles apprenant à chanter d'un tuteur en interaction sociale. Nous avons observé une activité neuronale accrue dans le circuit neuronal LC-NCM lors de la communication vocale avec un tuteur adulte vivant. Les juvéniles, dans lesquels le circuit neuronal LC-NCM a été optogénétiquement inhibé lors de l'exposition à un tuteur de chant en direct, n'ont pas appris la chanson du tuteur, ce qui suggère que ce mécanisme neuromodulateur intègre et authentifie les informations sociales en même temps que le traitement des modèles prosodiques pour un apprentissage précis de la chanson.
Les diamants mandarins juvéniles encadrés par un adulte mâle vivant et en interaction sociale développent un apprentissage des chansons plus précis et plus robuste par rapport à ceux qui sont passivement exposés aux chansons du tuteur, et ils montrent une expression génique précoce immédiate dans le LC4, qui est censée contrôler les niveaux d'attention chez les mammifères8,9 ,dix. Ici, nous avons enregistré l'activité d'un seul neurone dans le LC ou le NCM de diamants mandarins juvéniles en mouvement libre lorsqu'ils étaient seuls ou en interaction sociale avec un tuteur pour voir si le circuit neuronal LC-NCM encode les informations des interactions sociales avec un tuteur pour permettre l'apprentissage de la chanson. Nous avons enregistré 352 neurones du LC ou du NCM au cours de la période de tutorat (tableau supplémentaire 1). Le nombre de neurones enregistrés était relativement plus petit que les études précédentes chez les rongeurs7,9,16,17 ou les études qui utilisaient des oiseaux anesthésiés12,18,19. Cependant, les enregistrements neuronaux électrophysiologiques chez les oiseaux juvéniles se déplaçant librement sont limités en raison de leur taille corporelle et de leur posture debout. Par conséquent, nos données étaient comparables aux études dans lesquelles une seule activité unitaire était enregistrée chez des oiseaux chanteurs se déplaçant librement5,13. Les oiseaux ont reçu environ 20 minutes de lecture passive de chant de chacun des quatre stimuli de chant différents : un futur chant tuteur (TUT), deux chants conspécifiques de diamant mandarin adulte (CON1 et CON2) et un chant hétérospécifique d'un oiseau pinson du Bengale (HET ). La session de lecture (Playback 1) a été suivie de 60 à 120 min d'exposition à un tuteur de chant en direct (LIVE TUT) avec un intervalle de 30 min, puis 20 min de lecture passive (Playback 2) avec un 30 min- long intervalle à nouveau (Fig. 1a). Des preuves récentes chez les rongeurs ont rapporté une population neuronale LC hétérogène composée d'un type de cellules noradrénergiques et de deux types de cellules GABAergiques en fonction de leurs formes d'onde et de leurs modes d'activation16, par conséquent, nous avons classé 29 neurones LC enregistrés de 12 juvéniles en fonction de leur taux de déclenchement comme étant à pic régulier ou dopage rapide en fonction de leurs cadences de tir (Fig. Supplémentaire 1a – c). Les neurones à pointe rapide ont montré des durées et des formes de pointe similaires (Fig. 1a supplémentaire à gauche, Fig. 1b supplémentaire). En revanche, les neurones à pointes régulières présentaient une plus grande variation à la fois dans la forme et la durée des pointes (Fig. 1a supplémentaire à droite, Fig. 1b supplémentaire), ce qui suggère que les neurones à pointes régulières sont composés de sous-types neuronaux hétérogènes, comme suggéré précédemment chez les rongeurs16. Pour voir clairement l'effet de l'interaction sociale avec un tuteur sur l'apprentissage de la chanson, nous nous sommes concentrés sur les activités neuronales enregistrées le premier jour du tutorat lorsque nous pouvons comparer l'effet de l'exposition au chant du tuteur en direct sans compromettre les effets du tutorat des jours précédents. Treize des 29 neurones ont été perdus pendant la présentation répétée de la chanson ou l'exposition de la chanson du tuteur qui a duré quelques heures, de sorte que les 16 neurones restants (7 à pic rapide et 9 à pic régulier), qui ont été enregistrés le premier jour du tutorat, ont été analysé plus en détail pour la réactivité de la chanson. Fait intéressant, tous les neurones LC à pics rapides ont interrompu leur tir pendant un moment (1,62 ± 0,25 s, n = 7) en réponse à l'introduction du tuteur dans la cage, mais aucun neurone à pics réguliers n'a arrêté leur tir (Fig. 1d). Les neurones LC à pointes régulières et rapides ont augmenté leur déclenchement en réponse à la lecture passive de chansons (Fig. 1e supplémentaire). L'augmentation du déclenchement a été maintenue tout au long de la lecture de la chanson et le schéma d'activité des neurones LC variait selon les présentations répétées de la même chanson, indiquant que les réponses neuronales n'étaient pas associées à des caractéristiques ou des syllabes spécifiques de la chanson. Les réponses des neurones LC au chant LIVE TUT avec interactions sociales étaient plus importantes que celles avec lecture TUT passive (Fig. 1b, c). Notamment, après une exposition à long terme au chant du tuteur (~ 60 min), les neurones LC ont augmenté leurs réponses aux lectures de tous les stimuli de chant, par rapport aux réponses avant l'exposition au chant LIVE TUT (Fig. 1 b – e). Nous avons trouvé que certains neurones LC, qui ont été enregistrés plus tard que le deuxième jour de tutorat, ont montré des réponses légèrement mais significativement plus élevées au LIVE TUT qu'à la lecture du TUT, mais n'ont pas maintenu de réponses plus élevées après avoir entendu le LIVE TUT (Fig. 1f supplémentaire). Cependant, nous avons constaté qu'aucun des neurones LC n'a développé de réponses auditives sélectives au TUT même après avoir été exposé au chant du tuteur le premier jour du tutorat, car les valeurs d ', comparant les réponses au TUT et à d'autres chansons, se situaient entre -0, 5 et 0, 5 (Fig. 1f ), et la force de réponse (RST) à des chansons spécifiques n'était pas significativement différente de celle des autres chansons à la fois avant et après l'exposition LIVE TUT (lecture 1 et 2) (ANOVA à deux voies suivie d'un test post hoc Holm – Sidak, p> 0,05) (Fig. 1d).
a Dessins schématiques de la conception expérimentale et de la chronologie (dph = jours, après l'éclosion). Force de réponse moyenne (RST) des neurones LC à la lecture de la chanson du tuteur (lecture 1 et 2), au chant du tuteur (LIVE TUT) (b) ou à la lecture de différentes chansons avant (lecture 1) et après (lecture 2) l'audition du LIVE TUT (d ). Graphiques raster des activités de pointe pour un seul neurone LC avant, pendant et après LIVE TUT (c, barre d'échelle : 1 s) ou à la lecture de différentes chansons avant (lecture 1) et après (lecture 2) d'entendre LIVE TUT (e, échelle barre : 2 s) (spectrogrammes de chansons affichés en bas). Encart : forme d'onde de pointe du même LC (c, moyenne ± sd, barres d'échelle : 0,5 ms horizontale, 0,5 mV verticale). f Valeurs d-primes moyennes pour le TUT par rapport aux autres stimuli de chant des neurones LC avant (Lecture 1) et après (Lecture 2) d'entendre LIVE TUT. Les cases montrent les 25 à 75 %, les lignes centrales sont définies par la médiane et les carrés vides par la moyenne. Les moustaches incluent tous les points de données à l'intérieur de 1,5 IQR (intervalle interquartile) et les points « extérieurs » sont les points de données qui se situent en dehors de la ligne des moustaches. Les zones grises indiquent des réponses non sélectives (−0,5 < valeur d' < 0,5). N = 8, n = 16 (b, ré, f). TUT : chant tuteur, CON1 : chant conspécifique 1, CON2 : chant conspécifique, HET : chant hétérospécifique, N : nombre d'oiseaux, n : nombre de neurones. Moyenne ± sem, *p = 0,046, ***p < 0,001 ou p = 0,0000251 (HET), test T de Student bilatéral (HET, d) ou test de somme de rang Mann–Whitney bilatéral (b, d) . Les données source sont fournies sous la forme d'un fichier de données source. Les dessins d'oiseaux dans un ont été créés par Nicolas Baudoin.
Contrairement à l'activité LC, un sous-ensemble de neurones du NCM a augmenté leur RST spécifiquement pour la lecture de TUT, mais pas pour d'autres chansons après exposition à LIVE TUT (Fig. 2a, b supplémentaires). Quatre-vingts neurones NCM ont été enregistrés chez cinq juvéniles au cours du premier jour de tutorat, et 57 d'entre eux étaient des neurones à pointes larges (BS) en fonction de leur forme de pointe et de leur taux de déclenchement13. Nous avons constaté que la plupart des neurones BS présentaient des réponses plus importantes au chant LIVE TUT qu'à la lecture de la chanson TUT (Fig. 2a, Playback l vs LIVE TUT), mais le RST à la lecture TUT est revenu à un niveau similaire après avoir entendu le chant LIVE TUT. (Fig. 2a, Lecture l vs 2, Fig. 2d supplémentaire). Cependant, nous avons trouvé qu'un sous-ensemble de neurones BS NCM (n = 12) ont montré de plus grandes réponses au chant LIVE TUT tout en maintenant leurs schémas de déclenchement alignés sur la chanson (Fig. 2b, d, Playback l vs LIVE TUT) et ont conservé leurs réponses accrues au TUT. lecture même après exposition à LIVE TUT (Fig. 2b, d, Lecture 2). Ces neurones ont répondu de manière sélective aux chansons TUT après avoir entendu le LIVE TUT et n'ont pas augmenté le RST aux lectures d'autres chansons (Fig. 2c et Supplémentaires Fig. 2a, b). Le RST à TUT était significativement plus élevé que celui de la lecture de toute autre chanson après avoir entendu LIVE TUT (Lecture 2), alors qu'il ne l'était pas avant le LIVE TUT (Lecture 1) (ANOVA bidirectionnelle suivie d'un test post hoc Holm – Sidak , p < 0,05) (Fig. 2b supplémentaire). La proportion de neurones présentant des réponses sélectives à la lecture de TUT, mais pas à d'autres chansons (neurones sélectifs de TUT), a considérablement augmenté (de trois à 12 neurones) après avoir entendu le TUT LIVE (Fig. 2e, f). Nous avons en outre examiné si l'augmentation de la chanson RST à TUT et / ou les proportions de neurones sélectifs TUT se produisaient dans les derniers jours du tutorat. Nous avons trouvé un petit nombre de neurones (n = 4) qui ont augmenté leur lecture RST à TUT et ont commencé à montrer des réponses sélectives TUT le deuxième jour du tutorat. Mais plus tard que le troisième jour de tutorat, nous n'avons pas trouvé les neurones qui augmentaient le RST ou la sélectivité à la lecture du TUT après avoir entendu le LIVE TUT (Fig. 2f, g). Au troisième ou quatrième jour de tutorat, certains tuteurs n'ont pas chanté de chansons du tout pendant environ 2 h de tutorat. Dans les deux cas, avec ou sans chant LIVE TUT lors d'interactions sociales avec un tuteur, nous n'avons pas constaté d'augmentation de la lecture de chansons RST à TUT ou des proportions de neurones sélectifs TUT (Fig. 2f, g). Nous avons constaté que la lecture RST à TUT des neurones BS sélectifs TUT était significativement plus élevée que celle de la lecture d'autres chansons après le LIVE TUT (lecture 2), mais pas avant (lecture 1) le premier jour du tutorat. En revanche, RST à TUT était significativement plus élevé que celui de la lecture d'autres chansons à la fois avant et après le LIVE TUT plus tard que le deuxième jour de tutorat, peu importe si un tuteur chantait (ANOVA à deux voies suivie d'un test post hoc Holm – Sidak, p < 0,05) (figure 2g). Nous avons trouvé une fraction de neurones BS qui montraient déjà des réponses sélectives au TUT avant d'entendre chanter LIVE TUT les troisième et quatrième jours de tutorat (Fig. 2f). Ces neurones n'ont pas montré de réponses plus importantes au chant LIVE TUT, et ils n'ont pas non plus augmenté leur lecture RST à TUT après avoir été exposés à LIVE TUT (Fig. 2g et Supplémentaire Fig. 2c). Nous avons en outre constaté au cours du premier jour de tutorat que les neurones NCM à pointes plus étroites (NS) répondaient plus mais pas significativement plus (p = 0, 1) au chant LIVE TUT qu'à la lecture de la chanson TUT (Fig. 2e supplémentaire). Certains neurones NS ont montré une augmentation de la lecture RST à TUT après avoir entendu chanter LIVE TUT, alors qu'aucun d'entre eux n'a développé de réponses sélectives à TUT car ils ont également augmenté leur RST à d'autres stimuli de chant (Fig. 2f, g supplémentaires).
Force de réponse moyenne (RST) de tous les neurones BS NCM (a) ou neurones BS sélectifs TUT (b, g) à la lecture de la chanson du tuteur (lecture 1 et 2), au chant du tuteur (LIVE TUT) (a, b) ou à la lecture de différents chansons avant (lecture 1) et après (lecture 2) d'avoir entendu LIVE TUT (+) ou d'avoir été exposé à un tuteur silencieux (−) pendant quatre jours de tutorat (g). c Valeurs d-primes moyennes pour le TUT par rapport aux autres stimuli de chant des neurones BS sélectifs du TUT avant (lecture 1) et après (lecture 2) l'audition du LIVE TUT. Les cases montrent les 25 à 75 %, les lignes centrales sont définies par la médiane et les carrés vides par la moyenne. Les moustaches incluent tous les points de données à l'intérieur de 1,5 IQR (intervalle interquartile) et les points « extérieurs » sont les points de données qui se situent en dehors de la ligne des moustaches. Les zones grises indiquent des réponses non sélectives (−0,5 < valeur d' < 0,5). d Tracés matriciels de l'activité de pointe du neurone BS NCM sélectif TUT pour la lecture de la chanson 1 et 2 ou LIVE TUT (spectogrammes de chanson affichés en bas) (barre d'échelle : 1 s). Encart : forme d'onde de pointe du même neurone BS sélectif TUT (moyenne ± sd, barres d'échelle : 0,5 ms horizontale, 0,5 mV verticale). Proportion de neurones BS NCM qui montrent une sélectivité pour une chanson (e, f) ou aucune sélectivité (e, non-sélec.), avant (lecture 1) et après (lecture 2) l'écoute de LIVE TUT. N = 5, n = 57 (a), n = 12 (b, c), n = 80 (e, f : 1er jour+), n = 77 (f : 2e jour+), n = 44 (f : 3e jour+ ), n = 31 (f : 3ème jour−), n = 44 (f : 4ème jour+), n = 30 (f : 4ème jour−), n = 12 (g : 1er jour+), n = 12 (g : 2e jour+), n = 7 (g : 3e jour+), n = 4 (g : 3e jour−), n = 5 (g : 4e jour+), n = 3 (g : 4e jour−). BS : neurone à pic large, TUT : chant tuteur, CON1 : chant conspécifique 1, CON2 : chant conspécifique, HET : chant hétérospécifique, N : nombre d'oiseaux, n : nombre de neurones. Moyenne ± sem, *p = 0,0242, ***p = 0,0000143, 0,0000518, test T de Student bilatéral (a, b, g). Les données source sont fournies sous la forme d'un fichier de données source.
Les neurones LC et NCM chez les juvéniles ont montré de plus grandes réponses auditives au LIVE TUT avec interaction sociale, et une fraction des neurones BS NCM ont développé des réponses sélectives aux chansons TUT après exposition au LIVE TUT. Il a été rapporté que les neurones LC se projetaient anatomiquement sur le NCM chez les adultes12,17. Nous avons confirmé la projection LC-NCM chez les juvéniles en injectant des vecteurs viraux adéno-associés (AAV2/9-hSyn-Cre, AAV2/9-FLEX-GFP) dans le LC. Nous avons trouvé des axones GFP-positifs dans le NCM qui étaient principalement immuno-réactifs avec les anticorps DBH ou TH, mais pas avec un anti-GABA (Fig. 3a supplémentaire). Nous avons ensuite étudié dans quelle mesure l'activité neuronale LC modulait la réactivité auditive des neurones dans le NCM en inactivant optogénétiquement les terminaux LC dans le NCM (Fig. 3a). Puisque nous avons constaté que les neurones NCM développent des réponses sélectives TUT au cours des deux premiers jours de tutorat et que certains tuteurs ne chantaient pas aux juvéniles après plus de trois jours, nous avons exposé des oiseaux juvéniles à un tuteur pendant trois jours avec une stimulation optogénétique. Nous avons injecté un mélange viral (AAV-2/9-hSyn-Cre et AAV-2/9-FLEX-Arch-GFP) pour exprimer l'archaerhodopsine dans le LC (Fig. 3b). Ensuite, à l'aide d'une sonde optoélectronique (NeuroNexus, Buszaki16OCM16LP), nous avons enregistré l'activité neuronale des neurones NCM tout en inhibant simultanément les axones LC dans le NCM, qui étaient pour la plupart DBH ou TH positifs (Fig. 3b), de manière optogénétique uniquement pendant la période où les juvéniles entendaient LIVE TUT, mais pas lorsqu'ils interagissaient simplement avec un tuteur (Fig. 3a). La plupart des neurones BS NCM n'ont pas répondu à la lecture de la chanson TUT avant d'entendre le chant LIVE TUT avec interaction sociale le premier jour du tutorat (Fig. 3c, Lecture 1). Ils n'ont pas augmenté leur réponse au chant LIVE TUT lorsque les entrées LC dans le NCM ont été inhibées de manière optogénétique (Fig. 3c, Optol + LIVE TUT), ils n'ont pas non plus augmenté leur lecture RST à TUT après avoir été exposés à LIVE TUT (Fig. 3c, Lecture 2). Un petit sous-ensemble de neurones BS NCM (n = 7), qui présentaient une réactivité auditive sélective à la lecture du TUT avant l'exposition au chant LIVE TUT le premier jour du tutorat, n'ont pas augmenté leurs réponses au LIVE TUT et leur sélectivité au TUT lors de l'inhibition optogénétique a été appliqué pendant le LIVE TUT (Fig. 3d – f). L'inhibition optogénétique des axones LC dans le NCM n'a pas modifié le taux de déclenchement spontané de ces neurones (2,63 ± 0,86 contre 2,31 ± 1,09, lecture 1 contre LIVE TUT + opto-inhibition). De plus, la proportion de neurones BS sélectifs TUT n'a pas augmenté après avoir été exposé au chant LIVE TUT couplé à l'inhibition optogénétique des axones LC (Fig. 3g), contrairement au groupe juvénile témoin (juvéniles exprimant la GFP dans le LC et recevant la même application laser dans NCM pendant LIVE TUT) dans laquelle la proportion de neurones sélectifs du tuteur et la lecture RST à TUT ont augmenté après avoir entendu LIVE TUT (Fig. 3b, c supplémentaires). Nous avons trouvé un autre sous-ensemble de neurones BS (n = 19), qui ont répondu au TUT mais aussi à une autre lecture de chanson (Fig. 4a, b, Lecture 1) avant d'être exposés au chant LIVE TUT le premier jour du tutorat. Ils ont montré des réponses significativement diminuées à LIVE TUT lorsque l'inhibition optogénétique a été appliquée pendant LIVE TUT (Fig. 4a, b, Opto + LIVE TUT) et ont perdu leur réactivité à TUT mais pas aux autres lectures de chansons à la fois 30 min (Fig. 4a, b et d, lecture 2) et 90 min (Fig. 4c, d, lecture 3) après avoir été exposé au chant LIVE TUT avec inactivation de LC. RST à TUT tout avant, 30 et 60 min après le chant LIVE TUT n'était pas significativement différent de celui de l'autre chanson (ANOVA à deux voies suivie d'un test post hoc de Holm – Sidak, p> 0, 05) (Fig. 4d). Ces résultats suggèrent que l'activation des entrées LC au NCM par un tuteur vivant et chantant a permis aux circuits neuronaux du NCM d'acquérir des réponses auditives sélectives TUT dans des neurones spécifiques.
a Dessins schématiques de la conception expérimentale et de la chronologie. b En haut à gauche : coupes parasagittales du LC montrant que les neurones LC exprimant Arch-GFP sont positifs à la dopamine bêta-hydroxylase (DBH) (magenta). Coupe parasagittale dans le NCM montrant les terminaux axonaux LC exprimant Arch-GFP sont DBH positifs (magenta; en haut à droite) ou tyrosine hydroxylase (TH) positifs (rouge) mais pas GABA positifs (bleu; en bas à gauche) (barres d'échelle 100 um : en haut à gauche , 20 um en haut à droite et en bas à gauche). En bas à droite : Proportion de terminaux axonaux Arch-GFP qui sont doublement positifs pour DBH, TH ou GABA. Force de réponse moyenne (RST) de tous les neurones BS sélectifs BS NCM (c) ou TUT (d) aux lectures de chansons du tuteur (lecture 1 et 2) ou au chant du tuteur avec inactivation optogénétique des entrées LC (Opto + LIVE TUT). e Valeurs d-primes moyennes pour le TUT par rapport aux autres stimuli de chant des neurones BS sélectifs du TUT avant (lecture 1) et après (lecture 2) l'audition du tuteur chantant avec inactivation optogénétique des entrées LC. Les cases montrent les 25 à 75 %, les lignes centrales sont définies par la médiane et les carrés vides par la moyenne. Les moustaches incluent tous les points de données à l'intérieur de 1,5 IQR (intervalle interquartile) et les points « extérieurs » sont les points de données qui se situent en dehors de la ligne des moustaches. Les zones grises indiquent des réponses non sélectives (−0,5 < valeur d' < 0,5). f Tracés matriciels de l'activité de pointe dans un neurone BS NCM sélectif de TUT pour encadrer la lecture de la chanson 1 et 2 ou Opto + LIVE TUT (barre d'échelle : 1 s). Encart : forme d'onde de pointe du même neurone BS sélectif TUT (moyenne ± sd, barres d'échelle : 0,5 ms horizontale, 0,5 mV verticale). g Proportion de neurones BS NCM qui montrent une sélectivité à une chanson ou aucune sélectivité (Non-sélec.) avant (Lecture 1) et après (Lecture 2) Opto+LIVE TUT. N = 6 (b–e, g), n = 83 (c), n = 7 (d, e), n = 110 (g). BS : neurone à pic large, TUT : chant tuteur, CON1 : chant conspécifique 1, CON2 : chant conspécifique, HET chant hétérospécifique, N : nombre d'oiseaux, n : nombre de neurones. Moyenne ± sem b–d Test T de Student bilatéral (c), test de somme des rangs Mann–Whitney bilatéral (d). Les données source sont fournies sous la forme d'un fichier de données source. Les dessins d'oiseaux dans un ont été créés par Nicolas Baudoin.
a, c Graphiques raster de l'activité de pointe dans un neurone BS NCM non sélectif pour encadrer la lecture de la chanson 1 et 2, ou le chant du tuteur avec inactivation optogénétique des entrées LC (Opto + LIVE TUT) (a, barre d'échelle : 1 s) ou pour lectures de différentes chansons avant (lecture 1) et après (lecture 3) Opto+LIVE TUT (c, barre d'échelle : 2 s, spectrogrammes de chansons affichés en bas). Encart : forme d'onde de pointe du même neurone BS non sélectif (a, moyenne ± sd, barres d'échelle : 0,5 ms horizontale, 0,5 mV verticale). b Gauche, d force de réponse moyenne (RST) des neurones BS NCM non sélectifs pour la lecture de la chanson du tuteur (lecture 1 et 2), Opto + LIVE TUT (b) ou la lecture de différentes chansons avant (lecture 1) et après (lecture 3 ) Opto+LIVE TUT (d). b À droite, valeurs d-primes moyennes pour le TUT par rapport aux autres stimuli de chant des neurones BS non sélectifs avant (lecture 1) et après (lecture 2) Opto + LIVE TUT. Les cases montrent les 25 à 75 %, les lignes centrales sont définies par la médiane et les carrés vides par la moyenne. Les moustaches incluent tous les points de données à l'intérieur de 1,5 IQR (intervalle interquartile) et les points « extérieurs » sont les points de données qui se situent en dehors de la ligne des moustaches. Les zones grises indiquent des réponses non sélectives (−0,5 < valeur d' < 0,5). N = 6, n = 19 (b, ré). e Proportion de neurones NCM qui montrent une augmentation ou une diminution de leur RST pour encadrer la lecture de la chanson après avoir entendu LIVE TUT avec inhibition optogénétique de LC (Opto-inhibition, à gauche) ou contrôler la stimulation laser (Contrôle, à droite) dans le NCM. N = 6 et 6 (Opto-inhibition et Contrôle, respectivement), n = 110 et 138 (Opto-inhibition et Contrôle, respectivement). BS : neurone à pic large, TUT : chant tuteur, CON1 : chant conspécifique 1, CON2 : chant conspécifique, HET : chant hétérospécifique, N : nombre d'oiseaux, n : nombre de neurones. Moyenne ± sem, * p = 0, 023, *** p <0, 001, test de somme de rang de Mann – Whitney bilatéral (b, d). Les données source sont fournies sous la forme d'un fichier de données source.
Au cours de la période de trois jours de tutorat, la majorité (76, 4%, 84/110 neurones) des neurones NCM n'ont montré aucun changement significatif dans leur lecture RST à TUT chez les juvéniles où l'exposition à LIVE TUT était couplée à l'inactivation des axones LC. Un autre 17,3% (n = 19) des neurones NCM, principalement des neurones BS (68,4%, n = 13), ont réduit leur lecture RST à TUT (Fig. 4e, Opto-inhibition, à gauche). En revanche, chez les juvéniles témoins qui exprimaient la GFP dans le LC et étaient exposés à un chant tuteur couplé à une application laser, environ la moitié des neurones NCM (51,5 %, 71/138 neurones) ont augmenté leur lecture RST à TUT, la moitié (45,1 % , n = 32) dont des neurones BS (Fig. 4e, Contrôle, à droite). Alors que le nombre était petit, un sous-ensemble de neurones NS autrement silencieux (n = 9) n'a été activé que lorsque les terminaux LC étaient inhibés optogénétiquement (alignés sur le laser plutôt que sur le début du chant, Fig. 4a, b supplémentaire). Ces résultats suggèrent que la communication vocale avec un tuteur est essentielle pour moduler l'activité du circuit neuronal dans le NCM via des entrées fonctionnelles du LC pour acquérir une réactivité auditive sélective de la chanson dans le circuit neuronal LC-NCM.
Nos résultats démontrent que les neurones NCM n'ont pas réussi à développer des réponses auditives sélectives au TUT si les entrées LC-NCM étaient inactivées lors de l'exposition d'un mineur au chant du tuteur vivant. Ensuite, nous avons examiné si les apports de LC au NCM sont nécessaires pour que les mineurs apprennent des chansons en interagissant socialement avec un tuteur. Les oiseaux juvéniles qui avaient subi des enregistrements électrophysiologiques avec inhibition optogénétique (ou application laser dans le groupe témoin) ont été élevés en isolement jusqu'à ce qu'ils soient adultes. Nous avons ensuite enregistré leur chant d'adulte et mesuré la similarité avec le chant de leur tuteur (Fig. 5a)20. Les chants des oiseaux dont les entrées LC dans le NCM ont été inactivées pendant le chant du tuteur avec une interaction sociale en direct étaient significativement moins similaires aux chants du tuteur par rapport aux chants des oiseaux témoins (Fig. 5b, c). Une comparaison plus poussée de la similarité des chants entre les chants des diamants mandarins adultes et d'autres stimuli de chant auxquels ils ont été exposés pendant la période juvénile, a montré peu de similitude dans l'un ou l'autre des chants chez les oiseaux témoins et les oiseaux inactivés par LC, indiquant un mauvais apprentissage à partir des stimuli de lecture de chant (Fig. 5c ). Pris ensemble, ces résultats suggèrent que l'exposition passive à la lecture de chansons n'a pas conduit à un apprentissage substantiel, tandis que l'exposition sociale à un oiseau chanteur vivant n'a eu d'effet que si le circuit neuronal LC-NCM était actif pendant l'apprentissage. Pour déterminer si des similitudes moindres avec les chansons du tuteur étaient causées par la perte de la capacité de modifier les schémas moteurs vocaux avec l'inactivation des LC, nous avons suivi la similitude des chansons des chansons juvéniles avec leur forme adulte finale. Les oiseaux juvéniles témoins ont progressivement augmenté la similitude de leur chant avec leur chant adulte final, indiquant un apprentissage flexible de leur chant à leur forme adulte (Fig. 5d). De plus, les oiseaux témoins développaient des syllabes moins variables, tandis qu'à l'inverse les oiseaux qui écoutaient le chant du tuteur lors de l'inactivation du circuit LC-NCM continuaient à chanter des syllabes bruyantes chez les adultes (valeur d'entropie plus élevée et qualité de la hauteur, Fig. 5e), similaire à celle des oiseaux isolés. peu après l'éclosion21. Cependant, l'inactivation de LC n'a pas modifié la structure acoustique des schémas vocaux innés, des appels Tets, Stacks et Cackle, car la valeur d'entropie et la qualité de la hauteur de ces appels n'étaient pas différentes au cours du développement entre le contrôle et les juvéniles inactivés par LC (Fig. 5a supplémentaire, b), suggérant que l'inactivation des LC n'a pas entraîné de déficits moteurs. Ensemble, ces résultats indiquent que les apports LC au NCM sont nécessaires pour que les mineurs apprennent une qualité de chanson appropriée à partir de la communication vocale avec un tuteur, que nous proposons comme mécanisme sous-jacent pour un apprentissage efficace de la chanson via des interactions sociales authentiques.
a Chronologie expérimentale du développement. b Spectrogrammes de chant du chant du tuteur (en haut), chants adultes de deux oiseaux frères. Frère 1 (opto-inhibition) : les entrées LC ont été inhibées de manière optogénétique lors de l'écoute du chant du tuteur. Frère 2 (témoin) : les neurones NCM ont été stimulés au laser en entendant le chant du tuteur (barre d'échelle : 0,2 s). c Score moyen de similarité du chant des adultes pour chaque stimuli de chant chez les oiseaux dont les entrées LC ont été inhibées optogénétiquement (opto-inhibition) ou chez les oiseaux dont les neurones NCM ont reçu une stimulation laser (contrôle) pendant le chant du tuteur. Les cases montrent les 25 à 75 %, les lignes centrales sont définies par la médiane et les carrés vides par la moyenne. Les moustaches incluent tous les points de données à moins de 1,5 IQR (gamme interquartile). d Score de similarité du chant avec le chant adulte cristallisé d'un oiseau à chaque étape du développement du chant après avoir entendu le chant du tuteur chez les oiseaux dont les entrées LC ont été inhibées de manière optogénétique (opto-inhibition) ou chez les oiseaux dont les neurones NCM ont reçu une stimulation laser (contrôle) pendant le chant du tuteur . e Diagrammes de dispersion de l'entropie moyenne des syllabes et de la qualité de la hauteur moyenne tout au long du développement du chant chez les oiseaux avec opto-inhibition LC (à gauche) et chez les oiseaux témoins (à droite), chaque point indiquant une seule syllabe. N = 6 et 6 (Opto-inhibition et Contrôle, respectivement, c–e). TUT : chant tuteur, CON1 : chant conspécifique 1, CON2 : chant conspécifique, HET : chant hétérospécifique, N : nombre d'oiseaux, dph : jour après l'éclosion, "***" indique des différences au sein d'un même groupe, "#" indique des différences entre deux groupes d'animaux, moyenne ± sem, #p = 0,00000533, ***p = 0,0000000514, 0,0000000277, 0,00000108, test T de Student bilatéral. Les données source sont fournies sous la forme d'un fichier de données source.
Ici, nous démontrons la modulation de l'activité du circuit neuronal LC-NCM chez les diamants mandarins juvéniles exposés à des chants tuteurs vivants mais non artificiels. L'inactivation de la projection LC sur le NCM pendant le chant du tuteur a empêché le NCM de développer une réactivité neuronale sélective au chant et les juvéniles d'apprendre le chant. Nous nommons ce mécanisme "l'authentification sociale" pour décrire l'exigence de codage neuronal pour un tuteur adulte vivant interagissant socialement, par exemple, "authentique". Sur le plan fonctionnel, nous proposons qu'un circuit d'authentification ne traite pas les informations vocales acoustiques à haute résolution, comme le cortex auditif, mais, au contraire, surveille ou "authentifie" le contexte social en direct pendant l'apprentissage, comme l'indique notre analyse de l'activité neuronale LC.
Le LC noradrénergique est connu pour moduler l'activité synaptique dans les circuits neuronaux impliqués dans l'apprentissage de la communication sociale. Chez les mammifères, le LC a été lié à la neuromodulation de l'état du cerveau basée sur l'attention situationnelle (par exemple, combat ou fuite) et l'excitation, et les neurones LC diffusent des signaux NE dans tout le cortex chez les souris, les rats, les singes, les humains et les diamants mandarins, et modulent perception d'une variété de stimuli sensoriels7,8,9,10,11,16,17,22. L'exposition à un tuteur en direct est une expérience multisensorielle impliquant des modalités auditives, visuelles, tactiles et olfactives. Nos données actuelles soulèvent la question intéressante de savoir comment le LC intègre et authentifie les informations sociales multisensorielles pour la diffusion corticale au NCM. Nous avons constaté que le LC et le NCM reçoivent des entrées anatomiques communes d'une région thalamique auditive, le noyau ovoidalis (Fig. 6 supplémentaire), ce qui suggère que le circuit NCM reçoit des entrées anticipées, éventuellement neuromodulatrices, via le LC lorsque les juvéniles maintiennent une communication sociale avec un tuteur. . Comme les réponses neuronales LC à la chanson d'un tuteur ne dépendaient pas des caractéristiques acoustiques de la chanson alors qu'au contraire, les neurones de la zone auditive en amont du NCM, tels que le champ L, réagissent aux caractéristiques acoustiques du chant23, nous suggérons que le NCM est une zone candidate. qui pourrait intégrer à la fois les informations sociales et acoustiques du chant du tuteur en direct pour la mémoire de la chanson.
Notre observation des effets à long terme de la modulation NE sur le tir NCM est remarquable. L'inactivation optogénétique de LC pendant le chant du tuteur en direct, mais pas pour d'autres interactions sociales, a altéré la réactivité auditive du NCM qui était sélective à la chanson du tuteur authentifié pendant plusieurs heures. Les mécanismes synaptiques de la signalisation NE sur la plasticité à court terme dans les neurones corticaux post-synaptiques24 ou LTP25,26 sont bien connus, et la signalisation NE/DA dérivée de LC dans l'hippocampe a été suggérée pour améliorer la consolidation de la mémoire via la LTP. Ici, nous avons montré que l'inhibition directe de l'activité LC lors de l'audition du LIVE TUT empêche l'apprentissage de la chanson par le tuteur, et suggère en outre une contribution LC à la formation de la mémoire à long terme. Les neurones NCM du diamant mandarin modifient leurs schémas de déclenchement et leur réactivité auditive lors de l'infusion de NE ou d'un antagoniste des récepteurs α-adrénergiques12,17,27,28 principalement en diminuant leur taux de déclenchement spontané et en augmentant la précision des réponses auditives aux chansons12,28. Nous montrons que la communication sociale avec un tuteur module la réactivité auditive corticale de longue durée (NCM) au cours des deux premiers jours d'apprentissage social d'un tuteur, probablement des entrées LC approfondies, mais n'a pas influencé les neurones qui ont déjà acquis une réactivité auditive sélective. En revanche, les neurones LC n'ont pas acquis de réactivité sélective TUT et ont montré des réponses plus importantes à LIVE TUT même plus tard que le deuxième jour de tutorat. Ceux-ci suggèrent que les expériences de chant du tuteur social déclenchent constamment la libération de NE par les neurones LC au cours du développement, tandis que le NE libéré par le LC pourrait provoquer une plasticité à long terme pour former une mémoire du chant du tuteur dans un sous-ensemble spécifique de neurones postsynaptiques (NCM) qui pourraient exprimer récepteurs spécifiques de NE dans la phase d'apprentissage auditif au cours du développement. Notre étude actuelle ne précise pas quel type ou modèle de neurones dans le projet LC au NCM. D'autres études sur le lien anatomique entre la libération de LC-NCM et de NE, l'expression des récepteurs dans divers types de neurones dans le NCM et la plasticité synaptique dans le NCM aideraient à élucider le mécanisme sous-jacent du circuit neuronal de la façon dont la neuromodulation de la NE aboutit à l'acquisition d'une réactivité auditive sélective dans neurones spécifiques.
Nos résultats complètent et étendent une étude récente sur le diamant mandarin démontrant que la signalisation par la dopamine (DA), un autre neuromodulateur monoamine, du mésencéphale PAG à une zone sensorimotrice, HVC, pendant le tutorat de chansons en direct et non artificiel facilite la copie de chansons5. Les deux études montrent la nécessité d'un tuteur en direct pour l'apprentissage vocal, mais à différentes échelles de temps et stades anatomiques de la voie sensorimotrice auditive ascendante : DA via le circuit PAG-HVC médie la perception aiguë dans HVC conformément à son rôle dans la production vocale, tandis que NE dans le circuit LC-NCM module la perception durable pour la mémoire auditive des chansons. Ensemble, les deux études suggèrent l'évolution d'un système sous-cortical pour l'authentification sociale, avec la signalisation DA et NE travaillant en parallèle pour surveiller en permanence la qualité de l'apprentissage social afin d'affiner les caractéristiques acoustiques d'une chanson pour une mémoire précise de la chanson et une transmission culturelle.
La littérature récente décrit un réseau cortical distribué pour la communication sociale chez les primates29,30. Nos résultats chez les oiseaux chanteurs annotent ce cadre émergent, en explorant un circuit neuronal spécifique pour authentifier les informations sociales dans l'apprentissage vocal. D'un point de vue évolutif, les animaux tels que les oiseaux chanteurs qui communiquent dans des environnements naturels complexes et bruyants peuvent avoir développé des mécanismes neuronaux pour valider les interactions sociales avec des tuteurs individuels spécifiques à l'espèce afin d'assurer une transmission précise du chant pour la survie et la reproduction. Par exemple, l'hypothèse du « partage du chant » suggère que les oiseaux femelles préfèrent des chants simples et précis avec une lignée ou une zone géographique bien définie31 où l'authentification du tuteur pendant le chant peut être un mécanisme adaptatif. Les études futures devraient déterminer si l'authentification sociale dépendante de l'EN dans le circuit LC-NCM facilite l'encodage de la mémoire à long terme d'un tuteur individuel et de sa chanson unique, et si des mécanismes similaires peuvent s'appliquer à l'acquisition de la parole humaine.
Des expériences ont été menées en suivant les protocoles expérimentaux approuvés par le Comité de protection des animaux de l'Université diplômée de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa (OIST). Trente-quatre diamants mandarins mâles éclos et élevés dans notre colonie (14L : 10D lumière/obscurité) ont été utilisés dans ces expériences. Tous les oiseaux ont été élevés dans des cages avec leurs parents et leurs frères et sœurs jusqu'à 10 à 12 jours après l'éclosion (dph) lorsque leurs pères ont été retirés. Les juvéniles ont ensuite été élevés avec leurs mères et leurs frères et sœurs dans une cage placée dans une chambre insonorisante jusqu'à 54–56 jours par heure lorsqu'ils ont subi une intervention chirurgicale pour l'implantation d'électrodes dans le NCM ou le LC, ou jusqu'à 33–35 jours par heure lorsque des vecteurs viraux ont été injectés. dans le LC. Les juvéniles, qui ont reçu des injections de vecteurs viraux, ont été élevés avec une mère et des frères et sœurs jusqu'à 54–56 dph lorsqu'ils ont subi une intervention chirurgicale pour l'implantation d'opto-électrodes dans le NCM. Les juvéniles qui ont été implantés avec une électrode ou une opto-électrode, ont été logés individuellement dans une chambre d'atténuation sonore jusqu'à l'âge adulte (après 120 dph) où ils ont été sacrifiés. Après avoir récupéré de la chirurgie (après environ 24 à 48 h), l'activité neuronale d'une seule unité a été enregistrée lors de l'exposition à des stimuli de lecture de chansons pendant trois ou quatre jours consécutifs, puis pendant les trois jours suivants, un tuteur a été introduit dans la cage, et les juvéniles ont été exposés au chant du tuteur en direct (LIVE TUT) suivi de la lecture des mêmes stimuli de chanson. Les juvéniles qui ont été implantés avec une opto-électrode dans le NCM ont reçu une stimulation par impulsion laser lorsqu'un tuteur chantait.
Le mélange viral de pENN-AAV-hSyn-Cre-hGH (addgene viral prep #105555-AAV9, un cadeau de James M. Wilson) et AAV-FLEX-Arch-GFP (addgene viral prep #22222-AAV9, un cadeau de Edward Boyden) ou AAV-pCAG-FLEX-EGFP-WPRE (préparation virale addgene #51502-AAV9, un don de Hongkui Zeng ; dans un rapport 1:3) a été injecté unilatéralement dans le LC (100-180 nL) dans un juvénile diamant mandarin mâle (33-35 dph) à travers une pipette connectée à un injecteur à pression (Nanoject II ; Drummond Scientific Company, Broomall, PA, USA) avec coordination stéréotaxique (LC : angle de la tête : 27°, AP : −0,3 mm, ML : 0,9 mm, profondeur : 5,8–6 mm, par rapport au centre du sinus Y) sous anesthésie à l'isoflurane (2,5–2,7 %). Après environ 3 semaines (54–56 jours par jour), les juvéniles ayant reçu une injection d'AAV ont été soumis à une expérimentation.
L'activité neuronale d'une seule unité a été enregistrée à partir du LC chez 12 diamants mandarins juvéniles mâles se comportant librement. Une seule électrode de tungstène (WE3PT32.0A3, MicroProbes) connectée à un microdrive a été implantée avec une coordination stéréotaxique (angle de tête : 27 °, AP : −0,3 mm, ML : 0,9 mm, DV : 5,7 – 5,9 mm, par rapport au centre de Y-sinus) et fixé au crâne avec du ciment dentaire (kit Super-Bond C&B, Sun Medical, JAPON) sous anesthésie à l'isoflurane (2,5–2,7%). Un autre sous-ensemble de juvéniles diamant mandarin (n = 5) a été implanté avec une sonde en silicone à 16 canaux (Buzsaki16-CM16LP, NeuroNexus) dans le NCM avec une coordination stéréotaxique (angle de la tête : 45 ° interne, AP : 0,2 mm, ML : 0,5 mm , DV : 1,5–1,9 mm, par rapport au centre du sinus Y) de la même manière décrite ci-dessus. Après avoir récupéré de la chirurgie (~ 24 à 48 heures), le juvénile a été placé dans une arène d'enregistrement et connecté à un headstage (HST/8o25-GEN2-10P-G1-xR pour LC ou HST/16o25-GEN2-18P-2GP- G1 pour NCM, (Plexon)) pour les enregistrements d'activité neuronale (56–60 dph). Pendant la présentation de la lecture de la chanson, des enregistrements neuronaux ont été effectués ~ 1 h par jour, 3 × 20 min pour 10 répétitions de chaque chanson, pendant quatre jours consécutifs. Pendant le chant du tuteur en direct, des enregistrements neuronaux ont été effectués 3 à 4 h par jour, 20 min pour 10 répétitions de chaque lecture de chanson suivies d'une pause de 30 min, puis 1 à 2 h d'un tuteur présent dans l'arène avec chant occasionnel (10 à 20 min) suivi d'une autre pause de 30 min et d'une présentation de lecture de chanson de 20 min, pendant quatre jours consécutifs. Les stimuli de lecture de chanson ont été édités à l'aide d'un code MATLAB personnalisé (MATLAB 2018b, MathWorks) et présentés dans un ordre pseudo-aléatoire à l'aide d'un code LabVIEW personnalisé (LabVIEW 2016 version 64 bits, National Instruments) et d'un dispositif d'acquisition de données (NI USB-6341, National Instruments) qui est utilisé pour diviser les informations de stimuli de lecture et les alimenter à la fois dans un canal d'entrée analogique du système OmniPlex (Plexon) et dans l'amplificateur de haut-parleur (Topping TP21 T-Amp Class T Mini Amplifier).
Les signaux neuronaux ont été amplifiés 10 000 à 20 000 fois, filtrés passe-bande à 0,5–9 kHz numérisés (40 kHz) avec le système OmniPlex (OmniPlex Software, PlexControl, Plexon). Les stimuli de la chanson ont été lus à partir d'un haut-parleur situé au sommet de l'arène, et toute l'activité vocale a été enregistrée via un microphone (micro cravate, C417 PP, AKG) avec les enregistrements neuronaux.
Après l'achèvement des enregistrements électrophysiologiques et l'enregistrement ultérieur des chansons, des lésions électriques ont été faites (10 mA pendant 10 s) et les sites d'enregistrement ont été confirmés histologiquement.
Pour l'enregistrement NCM combiné à l'optogénétique, nous avons implanté dans le NCM une sonde en silicone à 16 canaux (Buzsaki16-CM16LP, NeuroNexus). Des fibres optiques ont été attachées à des cordons de raccordement (FCMH2-FCL, coupleur 2 × 2 MM 50: 50 200 um 0, 39 NA FC / férule PC-LC, Thorlabs) pendant les enregistrements d'activité neuronale (56–60 dph). Des enregistrements neuronaux ont été effectués 5 à 6 h par jour, 20 min pour 10 répétitions de chaque lecture de chanson suivies d'une pause de 30 min, puis 1 à 2 h de présence du tuteur avec chant occasionnel combiné à des impulsions laser (10 à 15 mW, 589 nm Yellow DPSS Laser with Fiber Coupled, Shanghai Laser & Optics Century Co.), suivi d'une autre pause de 30 min, d'une présentation de lecture de chanson de 20 min, d'une pause de 90 min et d'une présentation de lecture de chanson de 20 min, pendant trois jours consécutifs. Pour inhiber optogénétiquement les activités neuronales des terminaux axonaux LC dans le NCM pendant le chant du tuteur en direct, lorsqu'un tuteur a commencé à chanter avec les premières notes d'introduction (début d'un combat), une impulsion laser de 3 s a été appliquée manuellement à l'aide du Master 8 (Eight Channel Programmable Pulse Stimulator, MicroProbes) a connecté le laser DPSS et une entrée numérique du système OmniPlex. Si le tuteur chantait à la fin d'une impulsion laser de 3 s, une autre impulsion de 3 s était appliquée, et ainsi de suite. Le moment de l'application des impulsions laser a été enregistré avec les données électrophysiologiques. Le comportement et les vocalisations des oiseaux ont été enregistrés et surveillés en continu à l'aide d'une caméra et d'un microphone installés à l'intérieur de la cage et connectés respectivement aux logiciels Ulead Video Studio et Avisoft-RECORDER (Avisoft Bioacoustics).
Des chants de juvéniles expérimentaux ont été enregistrés dans une chambre d'atténuation du son à l'aide d'un Avisoft-RECORDER (Avisoft Bioacoustics) via un microphone (micro cravate, C417 PP, AKG) connecté à une interface audio (Fast Track Ultra 8R, M-AUDIO) puis à un PC. Les chansons TUT, CON1, CON2 et HET ont également été enregistrées et éditées pour être utilisées comme stimuli de chanson dans les expériences électrophysiologiques, à l'aide du logiciel Avisoft-SASLab Pro (Avisoft Bioacoustics). Pour évaluer le degré d'apprentissage vocal après le tutorat, des chansons de juvéniles expérimentaux ont été enregistrées à 80, 100 et 120 dph (pendant 2 à 3 jours), et les similitudes de leurs chansons et des chansons d'un tuteur ont été mesurées (% de similarité) à l'aide de Sound Analysis Pro 201120. Pour chaque oiseau, 10 motifs de chants de chants à chaque instant ont été mesurés pour les similitudes avec le motif de chant du tuteur et moyennés pour la lecture des chants pendant les enregistrements électrophysiologiques. Les motifs de la chanson ont d'abord été segmentés en syllabes séparées en fonction des changements d'amplitude et de fréquence. Plusieurs caractéristiques acoustiques ont été quantifiées : la hauteur, la fréquence moyenne de la hauteur, la fréquence de crête et la qualité ; Entropie de Wiener et durée de l'intervalle syllabique et intersyllabique. La similarité avec la chanson du tuteur a été mesurée entre les motifs de la chanson du tuteur et ceux de l'élève suivant une procédure automatisée dans Sound Analysis Pro 2011 qui quantifie la similarité acoustique entre deux motifs de chanson en fonction de la hauteur, de la qualité de la hauteur, de la FM, AM et de l'entropie de Wiener. En utilisant les paramètres par défaut de Sound Analysis Pro 2011 tels que les comparaisons asymétriques des valeurs moyennes, la durée minimale (de 10 ms) et les comparaisons 10 × 10, la similarité de la chanson a été calculée et le pourcentage de similarité a été utilisé pour une analyse statistique plus approfondie. Pour évaluer la stabilité de chaque syllabe de chanson séparée ou de chaque appel différent (tets, stacks ou cackles) à 80, 100 et 120 dph, nous avons mesuré la syllabe ou l'appel Mean Entropy et Mean Pitch Goodness à l'aide de Sound Analysis Pro 2011.
Des conjugués Alexa Fluor 488 ou 555 (Thermo Fisher Scientific) de la sous-unité B de la toxine cholérique (CTB) ont été injectés unilatéralement dans le NCM ou le LC (0,2 % p/v, 50 à 100 nL), respectivement, de trois juvéniles mâles isolés de mandarins zèbres (52 –55 dph) à travers une pipette connectée à un injecteur à pression (Nanoject II ; Drummond Scientific Company, Broomall, PA, USA) avec coordination stéréotaxique sous anesthésie à l'isoflurane (2,5–2,7 %). Après 3 à 5 jours, les oiseaux ont été anesthésiés et soumis au protocole d'histologie.
Après expérimentation, les oiseaux ont été profondément anesthésiés avec du somnopentyl et perfusés avec une solution saline puis avec du paraformaldéhyde à 4 %. Des coupes cérébrales parasagittales ont été réalisées (50 μm d'épaisseur) à l'aide d'un microtome (RETORATOME REM-710, Yamato). Pour l'immunocoloration, les tranches ont été incubées avec des anticorps primaires d'un anticorps anti-tyrosine hydroxylase de souris (1:1500, #22941, Immunostar), un anticorps de lapin anti-dopamine bêta-hydroxylase (1:1500, #22806, Immunostar) ou un lapin- anticorps anti-GABA (1:500, #A2052, Sigma-Aldrich) dans du PBS-T (contenant 0,3 % de Triton-X dans du PBS) pendant 48 h à 4 °C. Après lavage au PBS, les tranches ont été incubées avec des anticorps secondaires d'un anticorps anti-souris de chèvre conjugué à Alexa 568 (1:400, A11031, Thermo Fisher) ou un anticorps IgG anti-lapin de chèvre conjugué à Alexa 568 (1:400, A11036 , Thermo Fisher), pendant 48 h à 4 °C. Les coupes ont été montées (Fluoromount, Diagnostic BioSystem) puis soumises à une imagerie par microscopie confocale (LSM 780, Zeiss).
Les terminaisons axonales positives Arch-GFP/GFP ont été quantifiées dans les six à huit premières sections médianes : chaque section impaire était immunomarquée avec l'anticorps anti-dopamine bêta-hydroxylase (DBH) de lapin, tandis que chaque section paire était immunomarquée avec la combinaison d'anticorps de souris anti-tyrosine hydroxylase (TH) et d'anticorps de lapin anti-GABA. Des images au microscope à un grossissement de 40 × de quatre champs dans la zone NCM ont été prises à partir de chaque section et utilisées pour quantifier le pourcentage de terminaux d'axones à double marquage DBH, TH ou GABA dans les terminaux Arch-GFP / GFP-positifs, en utilisant Fidji ( ImageJ) progiciel. Ces nombres ont été moyennés dans une section et parmi les oiseaux d'un groupe de comparaison, six oiseaux en opto-inhibition et six dans le groupe témoin.
Le tri des pointes a été effectué hors ligne à l'aide du Offline Sorter v3 (Plexon), et des unités individuelles bien isolées ont été soumises à une analyse ultérieure avec des progiciels NeuroExplorer v5 et des codes MATLAB personnalisés (MATLAB 2018b, MathWorks). Les neurones LC ont été classés en neurones à pointes régulières et rapides en fonction de leur forme d'onde et de leur taux de déclenchement. Pour chaque unité, nous avons calculé la pleine largeur à mi-hauteur des portions de vallée du pic moyen et la durée du pic définie par le temps entre le pic et la vallée21. Nous avons calculé le taux de déclenchement spontané en faisant la moyenne du nombre de pointes pendant une période de 50 minutes lorsqu'aucun stimulus sensoriel n'a été présenté. Les neurones LC avec des taux de décharge spontanée < 20 Hz ont été classés comme à pointes régulières tandis que les neurones> 20 Hz ont été comptés comme à pointes rapides. Les neurones NCM ont été classés en neurones à pointes larges ou étroites en fonction de la largeur moyenne des pointes et de la durée du pic négatif au pic positif16. Pour les neurones NCM et LC, nous avons quantifié les réponses auditives de chaque neurone par la force de réponse (RST) : la différence de taux de déclenchement moyen pendant le stimulus du chant (FRstim) et le taux de déclenchement pendant la même période de durée avec le stimulus du chant juste avant le stimulus. (FRbase) avec la formule suivante :
Pour mesurer le biais de réponse entre deux stimuli de chanson, nous avons calculé les valeurs d-prime à l'aide de l'équation :
où \(\overline{{{{{{\rm{RST}}}}}}}\) est la force de réponse moyenne au stimulus et σ2 est la variance du RST25. La valeur D-prime > 0,5 a été utilisée comme critère de réponse biaisée. Si les comparaisons de valeur d-prime entre la chanson TUT et toutes les autres chansons étaient supérieures à 0,5, le neurone était classé comme sélectif pour la chanson TUT.
Toutes les analyses statistiques ont été effectuées à l'aide du progiciel SigmaPlot 13.0. Après avoir transmis les tests de normalité et d'égalité de variance pour tous les groupes comparés, nous avons effectué soit un test T de Student, soit un test de somme de rang Mann-Whitney. De plus, pour les données constituées de Playback 1, 2 et 3 et de différents stimuli auditifs tels que les groupes TUT, CON1, CON2 et HET, l'ANOVA à deux voies suivie du test post hoc Holm – Sidak a été effectuée, en utilisant 'Playback' comme le premier et « stimulus auditif » comme deuxième facteur avec toutes les comparaisons par paires. Toutes les comparaisons étaient considérées comme significativement différentes si p < 0,05. Pour la visualisation des données, le logiciel Origin 2019b a été utilisé.
De plus amples informations sur la conception de la recherche sont disponibles dans le résumé des rapports de recherche sur la nature lié à cet article.
Les données sources sont fournies avec ce document. Les données qui appuient les conclusions de cette étude sont incluses dans le tableau supplémentaire 1. Les ensembles de données générés au cours de cette étude et toute information supplémentaire requise pour réanalyser les données rapportées dans cet article sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable. Les données sources sont fournies avec ce document.
Les codes personnalisés utilisés pour la collecte et les analyses de données au cours de l'étude en cours sont déposés et disponibles sur : https://doi.org/10.5281/zenodo.6630127, https://doi.org/10.5281/zenodo.6630093 et https:/ /doi.org/10.5281/zenodo.6630340.
Kuhl, PK Mécanismes cérébraux dans l'acquisition précoce du langage. Neurone 67, 713–727 (2010).
Article CAS Google Scholar
Kuhl, PK et al. Les nourrissons montrent un effet de facilitation pour la perception phonétique de la langue maternelle entre 6 et 12 mois. Dév. Sci. 9, F13–F21 (2006).
Article Google Scholar
Yazaki-Sugiyama, Y. Mécanismes neuronaux régulant la période critique de l'apprentissage de la chanson dépendant de l'expérience sensorielle. Neurosci. Rés. 140, 53-58 (2019).
Article Google Scholar
Chen, Y. et al. Mécanismes sous-jacents à l'amélioration sociale de l'apprentissage vocal chez les oiseaux chanteurs. Proc. Natl Acad. Sci. États-Unis 113, 6641–6646 (2016).
Article CAS Google Scholar
Tanaka, M. et al. Un circuit de dopamine mésocortical permet la transmission culturelle du comportement vocal. Nature 563, 117-120 (2018).
Article ADS CAS Google Scholar
Tchernichovski, O. et al. Dynamique du processus d'imitation vocale : comment un diamant mandarin apprend son chant. Sciences 291, 2564-2569 (2001).
Article ADS CAS Google Scholar
Likhtik, E. & Johansen, JP Neuromodulation dans les circuits d'apprentissage émotionnel aversif. Nat. Neurosci. 22, 1586-1597 (2019).
Article CAS Google Scholar
Harley, C. La modulation noradrénergique et du locus coeruleus du potentiel évoqué par voie perforante dans le gyrus denté du rat soutient le rôle du locus coeruleus dans les processus attentionnels et mémoriels. Programme. Cerveau Res. 88, 307-321 (1991).
Article CAS Google Scholar
Aston-Jones, G., Rajkowski, J. & Kubiak, P. Les réponses conditionnées des neurones du locus coeruleus du singe anticipent l'acquisition d'un comportement discriminatif dans une tâche de vigilance. Neuroscience 80, 697–715 (1997).
Article CAS Google Scholar
Mather, M., Clewett, D., Sakaki, M. & Harley, CW La norépinéphrine enflamme les points chauds locaux d'excitation neuronale : comment l'excitation amplifie la sélectivité dans la perception et la mémoire. Comportement Cerveau Sci. 39, e200 (2016).
Article Google Scholar
Poe, GR et al. Locus coeruleus : Un nouveau regard sur la tache bleue. Nat. Rév. Neurosci. 21, 644–659 (2020).
Article CAS Google Scholar
Velho, TAF et al. Contrôle noradrénergique de l'expression des gènes et de l'adaptation neuronale à long terme évoquée par les vocalisations apprises chez les oiseaux chanteurs. PLoS One 7, e36276 (2012).
Article ADS CAS Google Scholar
Yanagihara, S. & Yazaki-Sugiyama, Y. Mise en forme du circuit cortical dépendant de l'expérience auditive pour la formation de la mémoire dans l'apprentissage du chant des oiseaux. Nat. Commun. 7, 11946 (2016).
Article ADS CAS Google Scholar
Bolhuis, JJ & Gahr, M. Mécanismes neuronaux de la mémoire des chants d'oiseaux. Nat. Rév. Neurosci. 7, 347–357 (2006).
Article CAS Google Scholar
Yanagihara, S. & Yazaki-Sugiyama, Y. L'interaction sociale avec un tuteur module la réactivité de neurones auditifs spécifiques chez les diamants mandarins juvéniles. Comportement Processus. 163, 32–36 (2019).
Article Google Scholar
Breton- Provencher, V. & Sur, M. Contrôle actif de l'excitation par un circuit GABAergique du locus coeruleus. Nat. Neurosci. 22, 218-228 (2019).
Article CAS Google Scholar
Martins, AR & Froemke, RC Formes coordonnées de plasticité noradrénergique dans le locus coeruleus et le cortex auditif primaire. Nat. Neurosci. 18, 1483–1492 (2015).
Article CAS Google Scholar
Castelino, BC & Schmidt, MF Ce que le chant des oiseaux peut nous apprendre sur le système noradrénergique central. J. Chem. Neuroanat. 39, 96–111 (2010).
Article CAS Google Scholar
Solis, MM & Doupe, AJ Les neurones antérieurs du cerveau antérieur développent une sélectivité par une étape intermédiaire de l'apprentissage du chant des oiseaux. J. Neurosci. 17, 6447–6462 (1997).
Article CAS Google Scholar
Tchernichovski, O. et al. Une procédure pour une mesure automatisée de la similarité des chansons. Anim. Comportement 59, 1167-1176 (2000).
Article CAS Google Scholar
Jones, AE, Ten Cate, C. & Slater, PJB Expérience précoce et plasticité du chant chez les diamants mandarins mâles adultes (Taeniopygia guttata). J. Comp. Psychol. 110, 354–369 (1996).
Article Google Scholar
Glennon, E. et al. L'activation du locus coeruleus accélère l'apprentissage perceptif. Cerveau Res. 1709, 39-49 (2019).
Article CAS Google Scholar
Araki, M., Bandi, MM et Yazaki-Sugiyama, Y. Attention à l'écart : codage neuronal de l'identité des espèces dans la prosodie des chants d'oiseaux. Sciences 354, 1282-1287 (2016).
Article ADS CAS Google Scholar
Salgado, H., Kohr, G. & Trevino, M. Le "ton" noradrénergique détermine le contrôle dichotomique de la plasticité corticale dépendante du moment du pic. Sci. Rep. 2, 417 (2012).
Annonces d'article Google Scholar
Johansen, JP et al. Les mécanismes hebbiens et neuromodulateurs interagissent pour déclencher la formation de la mémoire associative. Proc. Natl Acad. Sci. États-Unis 111, E5584–E5592 (2014).
Article CAS Google Scholar
Tenorio, G. et al. L'amorçage "silencieux" de la LTP dépendante de la traduction par les récepteurs β-adrénergiques implique la phosphorylation et le recrutement des récepteurs AMPA. Apprendre. Mém. 17, 627–638 (2010).
Article CAS Google Scholar
Solis, MM & Perkel, DJ Modulation noradrénergique de l'activité dans un noyau de contrôle vocal in vitro. J. Neurophysiol. 95, 2265-2276 (2006).
Article CAS Google Scholar
Ikeda, MZ et al. La noradrénaline module le codage des vocalisations complexes dans le cortex auditif des oiseaux chanteurs indépendamment de la synthèse locale des neuro-œstrogènes. J. Neurosci. 35, 9356–9368 (2015).
Article CAS Google Scholar
Sliwa, J. & Freiwald, WA Un réseau dédié au traitement des interactions sociales dans le cerveau des primates. Sciences 356, 745–749 (2017).
Article ADS CAS Google Scholar
Shepherd, SV & Freiwald, WA Réseaux fonctionnels pour la communication sociale chez le singe macaque. Neurone 99, 413–420.e3 (2018).
Article CAS Google Scholar
Beecher, MD & Brenowitz, EA Aspects fonctionnels de l'apprentissage du chant chez les oiseaux chanteurs. Tendances Écol. Évol. 20, 143-149 (2005).
Article Google Scholar
Télécharger les références
Nous remercions le Dr C. Yokoyama pour son aide précieuse dans la préparation du manuscrit, et les Drs. R. Mooney et SC Woolley pour la lecture critique du manuscrit. Nous apprécions le Dr M. Araki pour l'assistance au codage MatLab et Mme A. Kuneji pour avoir pris soin des animaux expérimentaux. Nous remercions également M. Nicolas Baudoin d'avoir fourni des images d'oiseaux pour les figures. Cette recherche a été soutenue par l'OIST Graduate University et les subventions JSPS KAKENHI JP : #19K16302 à JK et #18H02531 et #20H05075 à YY-S.
Mécanisme neuronal pour l'unité de la période critique, Université d'études supérieures de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa (OIST), Okinawa, Japon
Jelena Katic, Yuichi Morohashi & Yoko Yazaki-Sugiyama
WPI-IRCN, Université de Tokyo, Tokyo, Japon
Yoko Yazaki-Sugiyama
Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar
Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar
Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar
YY-S., JK et YM ont conçu les expériences ; JK a réalisé les expériences et analysé les données ; AA-S. et JK a écrit le papier.
Correspondance à Yoko Yazaki-Sugiyama.
Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.
Nature Communications remercie Aditya Singh, Todd Troyer et les autres examinateurs anonymes pour leur contribution à l'examen par les pairs de ce travail. Les rapports des pairs examinateurs sont disponibles.
Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.
Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur n'importe quel support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
Réimpressions et autorisations
Katic, J., Morohashi, Y. & Yazaki-Sugiyama, Y. Circuit neuronal pour l'authentification sociale dans l'apprentissage de la chanson. Nat Commun 13, 4442 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32207-1
Télécharger la citation
Reçu : 26 septembre 2021
Accepté : 20 juillet 2022
Publié: 16 août 2022
DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-022-32207-1
Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :
Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.
Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt
Rapports scientifiques (2023)
En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.