На прошлой неделе почти одновременно были опубликованы три важные научные работы, которые имеют большое значение для понимания эволюции речи. Как уникальное свойство человека, речь, и вообще вокальная коммуникация, давно привлекает внимание ученых. До настоящей нейробиологической теории языка исследователям еще очень далеко, поэтому пока что они пытаются подобраться к ней, исследуя дельфинов, крыс и пациентов с эпилепсией.

Песня и речь 

Речью обладает только человек, но вокальную коммуникацию, то есть использование звуков для передачи сигналов, используют очень многие животные – от цикад и кузнечиков до лягушек и певчих птиц. От человеческой речи вокальная коммуникация отличается не только своей структурой и степенью сложности, но и тем, что она переходит из поколения в поколение: большинство звуков, издаваемых животными, инстинктивны, и способ их извлечения передается по наследству.

Случаи обучения новым звукам, конечно, тоже хорошо известны – например, у певчих птиц. И хотя такая способность вовсе не делает попугая обладателем речи (даже в ее зачаточном состоянии), тем не менее, надо понимать, что и человеческий язык возник не на пустом месте. Нейробиологические механизмы, включившиеся у нас в производство речи, в том или ином виде наверняка уже присутствовали у животных, поэтому изучение работы этих механизмов на их примере может прояснить и историю появления человеческого языка.

Однако ситуация с животными моделями складывается для исследователей эволюции речи не самым благоприятным образом. Певчие птицы для таких исследований подходят плохо: их мозг устроен очень отлично от мозга млекопитающих, и за вокализацию отвечают узко специализированные механизмы.

Известно, например, что пение у птиц контролируется половыми гормонами, которые стимулируют рост и деление новых нейронов. В брачный период ответственные за «производство» песен зоны мозга у самцов канареек сильно увеличиваются, а когда сезон заканчивается – возвращаются к исходному состоянию. Это наблюдение Фернандо Ноттебома, кстати, в свое время позволило ученым обнаружить обновление нейронов, которое раньше считалось невозможным, и установить его механизм. Но все это, к сожалению, имеет мало отношения к эволюции человеческой речи: у млекопитающих ничего подобного не наблюдается.

Шимпанзе и другие человекообразные обезьяны, как это ни странно, тоже плохо подходят для таких исследований. Из-за своеобразного строения гортани они не способны производить достаточно сложные звуки и не могут заниматься звукоподражанием. Шимпанзе общаются в основном при помощи жестов, более того, они даже могут говорить на адаптированном языке для глухонемых. Однако звуки, которые они воспроизводят, не выходят за пределы врожденного стандартного набора.

Позывной «Вилли»

Способностью к звукоподражанию, к счастью, обладают другие высокоинтеллектуальные млекопитающие, которым по воле эволюции язык жестов оказался недоступен, – дельфины.

В 1986 году Петер Тяк (Peter Tyack) показал, что пара дельфинов Tursiopstruncatus, содержавшихся в аквариуме зоопарка в Беустере, штат Массачусетс, способны воспроизводить свисты друг друга.

Дельфины вообще довольно болтливые создания. В дикой природе они постоянно издают звуки, из которых примерно половину составляют свисты, индивидуальные для каждого животного. Эти звуки молодые дельфины перенимают от матери, однако копирование не является «дословным». В результате такого обучения каждый дельфин в стае становится обладателем собственного «позывного», позволяющего отличить его от других особей.

В 2010 году в Science была опубликована статья, подтверждающая данные Петера Тяка. На этот раз в исследовании принимали участие дикие взрослые животные, и они тоже оказались способны копировать позывные друг друга. Ученым, однако, не удалось убедительно доказать значение таких позывных из-за недостаточного знания отношений в изучаемой группе и ее малого размера.

Несколько дней назад были опубликованы самые масштабные на сегодняшний день исследования вокализации дельфинов. Ученые воспользовались данными отлова животных, проводившегося с 1984 года в Сарасота Бей во Флориде. Объектом масштабного исследования была динамика местной популяции дельфинов. Параллельно ученые записывали звуки, которые издавали пойманные на пару часов животные.

В результате было доказано, что имитация свистов не является каким-то исключением, присущим только животным, содержащимся в неволе. Кроме того, ученые показали, что афалины преимущественно копируют «позывные» тех своих сородичей, с которыми имеют тесные социальные связи и проводят много времени. Особенно часто дельфины издают такие звуки, когда теряют друг друга из виду. По мнению ученых, это однозначно говорит о том, что животные в данном случае зовут друг друга, желая вновь воссоединиться, а характерные звуки выступают в роли полноценного имени.

Какие именно структуры мозга позволяют дельфинам копировать звуки своих сородичей, пока неясно. Неизвестны и генетические основы такой способности. Однако можно с уверенностью утверждать, что важную роль в этом процессе играет ген FOXP2, который, как показали недавние исследования, одинаково важен и для неречевой вокализации мышей, и для речи человека.

Ген речи

FOXP2 – ген с необычной судьбой. В отличие от большинства других генов человека, когда его удалось обнаружить, было уже совершенно ясно, какое важное значение он имеет для эволюции человека.

Исследования, которые привели к открытию FOXP2, проводились в самом конце 1980-х годов на семье британцев. Члены семьи «испытывали трудности с контролем движений в нижней части лица, из-за которых они не могли воспроизводить сложные звуки». Кроме того, исследуемые не могли составить хоть сколько-нибудь длинного списка слов, начинающихся на какую-либо заданную букву.

Характерные проблемы с речью наследовались в семье по очень простой схеме, поэтому генетикам быстро стало ясно, что речь идет о мутации в единственном гене. В 2001 году удалось найти его и определить, какие именно мутации доставляют неудобства британскому семейству.

FOXP2 оказался транскрипционным фактором, то есть белком, управляющим считыванием других генов. Это довольно распространенная специализация для функциональных генов – тех, которые связаны с каким-либо внешним признаком. Необычным оказалось то, что FOXP2 был связан не только с речью человека, но и вообще с вокализацией у очень разных животных.

Так, было показано, что наличие его двух функциональных копий необходимо мышам, чтобы «правильно» пищать.Летучим мышам он оказался необходим для эхолокации, а птицам – для пения брачных песен, причем его экспрессия сопровождает рост соответствующих нейронов.

Тот факт, что FOXP2 у человека и шимпанзе отличается (на две аминокислоты), позволил многим ученым предполагать его ключевую роль в появлении настоящей речи. Интересно, что неандертальцы, судя по всему, были носителями как раз человеческой версии гена.

Распределение белка FOXP2 в мозгу эмбриона мыши показано черными точками. Ген преимущественно экспрессируется в области мозжечка и заднего мозга.

Wikipedia

Однако до недавнего времени никто не обращал внимание на различие в работе человеческого FOXP2 у мальчиков и девочек, хотя существует много исследований, где показано неравенство их способностей на ранних стадиях развития. Чтобы показать, что и в данном случае ключевую роль играет FOXP2, ученым сначала пришлось прибегнуть к помощи модельных животных.

Исследователи отделили мышат обоих полов от их матерей в специальном боксе и наблюдали за тем, как они зовут своих родителей. Оказалось, что маленькие самцы мышей издают в среднем больше звуков в единицу времени. Такая стратегия действовала на родителей: они чаще первыми переносили к себе именно самцов, а не самок. Ученые установили, что эта разница в поведении сопровождается и разницей в активности FOXP2. В зонах мозга, связанных с производством звуков, количество этого гена у самцов оказалось в два раза больше. Эффект работал и в обратную сторону: когда при помощи РНК-интерференции ученые искусственно снизили количество FOXP2 у самцов мышей, они стали гораздо более молчаливыми.

Данные, полученные на мышах, ученые в зеркальном виде подтвердили на мозге погибших в результате катастроф детей. Более «способным к языкам» оказался женский пол. У девочек четырех-пяти лет активность FOXP2 в речевых зонах мозга оказалась почти на треть выше, чем у мальчиков.

Новое исследование подводит генетическую основу под лингвистические способности женского пола. Но как именно работа FOXP2 влияет на производство речи, ученые пока не знают.

Считается, что ген стимулирует образование синапсов, однако как выбираются те нейроны, которые должны участвовать в этом процессе, пока неясно. В качестве первого этапа для установления их идентичности могла бы послужить одна работа.

Механика фонетики

Исследования речи, как уже говорилось ранее, осложняются тем, что ей обладает только человек. И если работу генов можно изучать, по крайней мере, на биоматериале, то как быть с самим производством речи? Да, сейчас нейрофизиологи обладают томографией, – мощным инструментом, способным неинвазивно заглянуть внутрь мозга (и иногда даже рассмотреть, что видит человек). Однако картина, которую дает томография, имеет ограниченное размером вокселя разрешение, и для изучения мелких структур, не говоря уже об отдельных нейронах, его недостаточно

Ответственная за производство речи зона мозга, куда была имплантирована пластинка с электродами

Bouchard, Mesgarani, Johnson& Chang, Nature, 2013

Исследования на открытом мозге человека сами по себе запрещены, однако у нейрофизиологов имеется одна любопытная лазейка. Дело в том, что в случае тяжелых форм эпилепсии медики вынуждены удалять поврежденный участок мозга хирургическим путем. Чтобы точно установить место его локализации, перед операцией пациенту вживляют пластинку с сотнями электродов, которые считывают электрическую активность мозга, указывая хирургам границы поврежденной зоны.

В этот момент с согласия пациента можно провести небольшое исследование, ценность которого заключается в том, что полученные данные об электрической активности отличаются беспрецедентной точностью. Именно таким образом недавно удалось обнаружить у человека зону мозга, отвечающую за распознавание лиц. Исследование стало возможным благодаря мужеству одного пациента, готовившегося к операции.

Ученые, чья работа была опубликована на прошлой неделе, проводили исследование на областях мозга, отвечающих за производство речи. В нем приняли участие всего три человека, однако с учетом редкости таких работ и это число кажется значительным.

Ученым удалось определить, какие микрозоны речевой области мозга за производство каких звуков отвечают и как они между собой соотносятся. Добровольцы (у всех родным языком был американский английский) произносили различные звуки – отдельно или в составе слов. В это время ученые при помощи пластинки с электродами записывали активность мозга и наблюдали за движением речевого аппарата.

Сопоставив полученные данные, они получили дерево звуков американского английского, каждому из которых соответствовала электрическая активность и определенное положение языка, губ и других частей речевого аппарата.

Подобные деревья уже давно составляют лингвисты, и с ними действительно интересно сопоставить полученные данные. Однако фонетические деревья лингвистов основаны исключительно на механике речи и не содержат информации о том, какие нейрофизиологические механизмы ее определяют. В новой же работе можно видеть не только то, насколько различные звуки близки друг к другу механически или на слух, но и насколько близкие зоны мозга отвечают за их производство.

Одним из побочных результатов работы ученых стало объяснение того, почему же так сложно произносить скороговорки. Как оказалось, в скороговорках содержатся звуки, в производстве которых участвуют перекрывающиеся области нейронов. Нечто подобное ученые, конечно, уже подозревали, да и лингвистов таким открытием не удивить, но факт, тем не менее, любопытный. 

Единственное, пожалуй, о чем можно было бы пожалеть, – это то, что все трое пациентов оказались носителями одного и того же языка. Было бы крайне интересно сравнить людей, говорящих, например, на разных диалектах одн

ого языка, отличающихся друг от друга только некоторыми особенностями произношения, Или на тех языках, в которых есть экзотические с нашей точки зрения звуки – как в щелкающих койсанских языках.  Для таких исследований ученым придется ждать новых мужественных добровольцев с эпилепсией или (что, конечно, предпочтительнее) изобрести новый неинвазивный способ точного считывания активности мозга. Впрочем, такого метода ждут все нейробиологи, а не только те, кто занимается речью. Но пока, к сожалению, его нет.

Александр Ершов

Подготовлено по материалам Лента

Дата публикации: 2013-03-04