Zinātnieki atšifrē putnu dziesmas

Viens no lielākajiem izaicinājumiem neirozinātnē ir izskaidrot, kā neironu ķēžu kolekcijas rada sarežģītas signālu secības, kas izraisa tādu uzvedību kā saziņa ar dzīvniekiem, putnu dziesmas un cilvēku runa.

Starp vislabāk pētītajiem modeļiem šajā jomā ir tādi putni kā zebras žubītes. Šie entuziasma pilnie dziedātāji veido dziesmas, kas sastāv no garām, bet salīdzinoši vienkāršām zilbju secībām. Šīs sekvences ir labi izpētītas un aprēķinātas to statistiskās īpašības.

Izrādās, ka šīs statistiskās īpašības var precīzi reproducēt, izmantojot simulācijas veidu, ko sauc par Markova modeli, kurā katra zilbe tiek uzskatīta par sistēmas stāvokli un kuras parādīšanās dziesmā ir atkarīga tikai no iepriekšējās zilbes statistiskajām īpašībām. Šāds modelis nozīmē, ka pastāv savstarpēja kartēšana starp katru zilbi un neironu ķēdi, kas to ģenerē.

Bet citi putni rada sarežģītākas dziesmas, un tās ir grūtāk izskaidrot. Viena no tām ir Bengālijas žubīte, kuras dziesmas atšķiras šķietami neparedzamā veidā, un to nevar izskaidrot ar vienkāršu Markova modeli. Tas, kā Bengālijas žubīte ģenerē savu dziesmu, ir noslēpums.

Līdz šim brīdim. Dīvainas sakritības dēļ arXiv šonedēļ parādās divi dokumenti, kuros ir sniegti līdzīgi skaidrojumi par Bengālijas žubītes spējām. Vienu komandu vada Kentaro Katahira no Tokijas universitātes, bet otru - Deže Džins Pensilvānijas štata universitātē. Abas grupas apgalvo, ka ir atšifrējušas statistikas noslēpumus Bengālijas žubīšu dziesmā un izstrādājušas modeļus, kas to var reproducēt.

Pirmā viņu darba daļa bija Bengālijas žubīšu ieslēgšana telpās ar skaņas izolāciju un viņu dziesmu ierakstīšana dažas dienas.

Pēc tam viņi ieslēdza kādu nabadzīgu postdoktu istabā, līdz viņš vai viņa manuāli anotēja katru ierakstīto zilbi. Pēc tam tika izstrādātas putnu dziesmu statistiskās īpašības – kā katra zilbe ir atkarīga ne tikai no iepriekšējās zilbes, bet arī no dažādām notīm pirms tam.

Kad statistika tika atklāta, pēdējais uzdevums bija atrast veidu, kā tos reproducēt.

Abas komandas ir nākušas klajā ar modeļiem, kuriem ir būtiska atšķirība no Markova standarta modeļiem. Vienkāršās zilbes un ķēdes kartēšanas vietā, kas izskaidro zebru žubīšu dziesmu, viņi saka, ka Bengālijas žubēs ir kartēšana daudzi pret vienu, kas nozīmē, ka noteiktu zilbi var izveidot vairākas neironu ķēdes. Tāpēc viņi saka, ka statistika ir daudz sarežģītāka.

Šāda veida modeļus sauc par slēpto Markova modeli, jo lietas, kas virza sistēmas novērojamo daļu – dziesmu, paliek slēptas. Un tas var reproducēt visa veida iepriekš noslēpumainas Bengālijas žubīšu dziesmas iezīmes, piemēram, atkārtotu secību modeli, iespējamību novērot noteiktu zilbi noteiktā solī no sākuma un N-gramu vai n zilbju secību sadalījumu.

Tas ir ievērojams rezultāts. Tas nozīmē, ka zinātnieki beidzot pirmo reizi ir atkodējuši sarežģītas putnu dziesmas.

Tagad jautājums ir par to, kā paplašināt rezultātu, lai aprakstītu citu sarežģītāku dzīvnieku uzvedības veidu statistiskās īpašības. Acīmredzamie kandidāti ietver vaļu dziesmu un delfīnu vokalizāciju. Turklāt cilvēku runas statistika ir vilinošs izaicinājums.

Atsauces:

arxiv.org/abs/1011.2998 : Dziesmu sintakses kompakts statistiskais modelis bengāļu valodā Fifinch

arxiv.org/abs/1011.2575 : sarežģītus putnu dziesmu secības noteikumus var izskaidrot ar vienkāršiem slēptiem Markova procesiem

paslēpties