Mokslininkai iššifruoja paukščių giesmę

Vienas iš didžiausių iššūkių neurologijos srityje yra paaiškinti, kaip neuroninių grandinių rinkiniai sukuria sudėtingas signalų sekas, dėl kurių atsiranda elgesys, pavyzdžiui, gyvūnų bendravimas, paukščių giesmės ir žmonių kalba.

Tarp geriausiai ištirtų šios srities modelių yra paukščiai, tokie kaip zebriniai kikiliai. Šie entuziastingi dainininkai kuria dainas, kurias sudaro ilgos, bet gana paprastos skiemenų sekos. Šios sekos buvo gerai ištirtos ir apskaičiuotos jų statistinės savybės.

Pasirodo, šias statistines savybes galima tiksliai atkurti naudojant modeliavimo tipą, vadinamą Markovo modeliu, kuriame kiekvienas skiemuo yra suvokiamas kaip sistemos būsena ir kurio išvaizda dainoje priklauso tik nuo ankstesnio skiemens statistinių savybių. Toks modelis reiškia, kad yra vienas su vienu susiejimas tarp kiekvieno skiemens ir jį generuojančios neuroninės grandinės.

Tačiau kiti paukščiai skleidžia sudėtingesnes dainas ir jas paaiškinti sunkiau. Vienas iš jų yra Bengalijos kikilis, kurio dainos skiriasi, atrodo, nenuspėjamai ir negali būti paaiškintos paprastu Markovo modeliu. Tai, kaip Bengalijos kikilis generuoja savo dainą, yra paslaptis.

Iki dabar. Dėl keisto sutapimo šią savaitę „arXiv“ pasirodo du dokumentai, kuriuose pateikiami panašūs Bengalijos kikilio sugebėjimų paaiškinimai. Vienai komandai vadovauja Kentaro Katahira iš Tokijo universiteto, o kitai – Dezhe Jin iš Pensilvanijos valstijos universiteto. Abi grupės teigia iššifravusios statistines Bengalijos kikilio dainos paslaptis ir sukūrusios modelius, galinčius ją atkurti.

Pirmoji jų darbo dalis buvo Bengalijos kikilių uždarymas garsui nepralaidžiose patalpose ir kelių dienų įrašymas jų dainoms.

Tada jie uždarė vargšą postdoc į kambarį, kol jis ar ji rankiniu būdu komentavo kiekvieną įrašytą skiemenį. Tada buvo išaiškintos statistinės paukščių giesmės savybės – kaip kiekvienas skiemuo priklauso ne tik nuo prieš tai buvusio skiemens, bet ir nuo įvairių prieš tai buvusių natų.

Atskleidus statistiką, paskutinė užduotis buvo rasti būdą, kaip juos atkurti.

Abi komandos sugalvojo modelius, kurie labai skiriasi nuo standartinių Markovo modelių. Vietoj paprasto skiemens ir grandinės „vienas su vienu“ susiejimo, paaiškinančio zebro kikilio giesmę, jie sako, kad Bengalijos kikilėse yra atvaizdavimas „daug su vienu“, o tai reiškia, kad tam tikrą skiemenį gali sudaryti kelios nervinės grandinės. Štai kodėl statistika yra daug sudėtingesnė, sako jie.

Šio tipo modelis vadinamas paslėptu Markovo modeliu, nes dalykai, kurie valdo stebimą sistemos dalį – dainą – lieka paslėpti. Be to, jis gali atkurti visas anksčiau paslaptingas Bengalijos kikilio giesmės ypatybes, tokias kaip pasikartojančių sekų modelis, tikimybė nuo pat pradžių stebėti tam tikrą skiemenį tam tikrame žingsnyje ir N gramų arba n skiemenų sekų pasiskirstymas.

Tai reikšmingas rezultatas. Tai reiškia, kad mokslininkai pirmą kartą pagaliau iššifravo sudėtingą paukščių giesmę.

Dabar kyla klausimas, kaip išplėsti rezultatą, kad būtų galima apibūdinti kitų sudėtingesnių gyvūnų elgesio statistines savybes. Akivaizdūs kandidatai yra banginio daina ir delfinų vokalizacija. Be to, žmonių kalbos statistika yra viliojantis iššūkis.

Nuorodos:

arxiv.org/abs/1011.2998 : kompaktiškas statistinis dainos sintaksės modelis bengalų kalba Fifinch

arxiv.org/abs/1011.2575 : Sudėtingos paukščių giesmių sekos taisyklės gali būti paaiškintos paprastais paslėptais Markovo procesais

paslėpti