08.01.2014

Estudian el canto de aves como clave para el desarrollo de prótesis vocales para humanos

Científicos de la Universidad de Buenos Aires descubrieron que el estudio de los mecanismos neuronales que emplean los pájaros durante el canto podría ayudar en el desarrollo de dispositivos de fonación para personas que perdieron el habla.

Etiquetas Salud
Nature eligió una investigación argentina como una de las mejores de 2013

Ejemplar de Diamante Mandarín [Foto: www.wikimedia.org]

Desde pequeños los seres humanos aprendemos a comunicarnos por medio del lenguaje imitando a otros semejantes. En forma similar, determinadas especies de aves aprenden a dominar su canto por medio de un “tutor”. Partiendo desde esta similitud, científicos del Laboratorio de Sistemas Dinámicos (LSD) de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, comprobaron que los mecanismos neuronales que usan los pájaros durante el canto podrían ser la clave para desarrollar prótesis vocales para personas que perdieron el habla.

Ana Amador, Yonatan Sanz Perl y Gabriel Mindlin del LSD junto a Daniel Margoliash de la Universidad de Chicago, descubrieron que la dinámica del canto del pájaro está codificada en un grupo de neuronas de la corteza cerebral premotora, que constituyen un núcleo llamado Centro Vocal Superior (HVC, por su sigla en inglés), que actúan en forma predictiva y en conexión con diferentes estructuras cerebrales relacionadas con la producción de canto y su aprendizaje.

De esta manera, derribaron la antigua idea de que un grupo de células serían las que indicarían cómo y cuándo debían intervenir los diferentes músculos y elementos que participan para producirse el canto. “En forma similar a los humanos, los pájaros necesitan un tutor para aprender a cantar, es decir alguien a quien copiar, y el HVC es la estructura que interviene en ese momento” explica Ana Amador, becaria postdoctoral del CONICET en LSD.

Las células del HVC se van reconfigurando durante el aprendizaje incorporando la información necesaria para que el pájaro cante actuando en forma simultánea con los músculos del canto. Según Gabriel Mindlin, investigador principal del CONICET y director del laboratorio,: “comprender los mecanismos físicos involucrados en el canto y poder traducirlos a ecuaciones matemáticas sencillas nos permitió acercarnos a dispositivos electrónicos minúsculos, capaces de imitar un comportamiento complejo como la voz y abrir una nueva etapa en la bioprostética vocal”.

Para conocer los mecanismos neuronales de los pájaros, los investigadores colocaron sensores en el aparato vocal y músculos de un ejemplar de Diamante Mandarín y lo enmudecieron temporalmente. Cuando el ave trataba de cantar, registraron los músculos que se activaban, la presión que se ejercía en los sacos aéreos y los mecanismos neuronales que se producían. La información obtenida les permitió identificar los factores más importantes para la fonación y desarrollaron un modelo matemático sencillo que les permitió reproducir el canto de un ave de modo sintético y en tiempo real.

En el laboratorio de la facultad de Ciencias Exactas, los científicos traspasaron el modelo no lineal a un sintetizador artificial o chip que al recibir el movimiento de los músculos del aparato fonador del pájaro emitió una secuencia de pulsos electrónicos, que al traducirse en sonidos, dio como resultado el canto de un pájaro en tiempo real. Este trabajo, con el que Ezequiel Arneodo realizó su tesis de doctorado, marca un hito científico único en su tipo porque corresponde al primer dispositivo miniaturizado, es decir, una siringe electrónica, que sintetiza el canto de un pájaro en tiempo real.

El canto sintético obtenido es tan similar al real que el ave lo confunde como propio. De esta manera, Ana Amador desde Estados Unidos, donde realizaba su post doctorado, corroboró que la actividad neuronal de los pájaros que se activaba con su propia voz actuaba de igual modo ante el sonido sintético. Este avance fue presentado en la conferencia anual de la Sociedad de Neurociencia de Estados Unidos.

Todo indica que si esta línea de investigación avanza existiría la posibilidad de crear un dispositivo que pueda aplicarse en los seres humanos que han perdido el habla. “Si nosotros logramos entender de la misma manera cómo funciona el aparato fonador de los humanos, las cuerdas vocales y el tracto vocal superior, y cómo el cerebro envía las instrucciones motoras y cómo estas producen la diversidad de elementos que componen el habla humana,: nosotros podríamos en principio estar aplicándolo en una solución prostética portátil de muy bajo costo computacional”, afirma Mindlin.

A diferencia de las aves, el aparato fonador de las personas tiene una modulación sofisticada de labios y lengua. El desafío, en este caso, es poder medir de una manera no invasiva la cantidad mínima de parámetros –fisiológicos, musculares y de presión- que son necesarios para que el chip funcione y a posteriori, sintetizar con fidelidad una voz, para que las personas que perdieron el habla se comuniquen.

La investigación desarrollada por Ana Amador, Yonatan Sanz Perl, Gabriel Mindlin y Daniel Margoliash sobre el canto de aves se publicó en la Revista Nature en marzo de 2013. Editores de la prestigiosa revista seleccionaron este artículo como uno de los mejores del año.

El Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva otorgó al Laboratorio de Sistemas Dinámicos un subsidio de $ 635.700 a través del Fondo para la Investigación Científica y Tecnológica (FONCyT) de la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica para el desarrollo de la investigación.

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