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

La publicación científica destacó el artículo de investigadores argentinos sobre el canto de las aves.

Editores de la prestigiosa revista Nature seleccionaron como uno de los mejores artículos publicados en el año 2013 una investigación sobre el canto de los pájaros de los investigadores Ana Amador, Yonatan Sanz Perl, Gabriel Mindlin del Laboratorio de Sistemas Dinámicos (LSD) de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, y Daniel Margoliash de la Universidad de Chicago.

Scientific publication highlighted the article Argentine researchers on birdsong .

Editors of the prestigious journal Nature selected as one of the best articles published in 2013 an investigation into the birdsong researchers Ana Amador, Yonatan Sanz Perl, Gabriel Mindlin Dynamical Systems Lab (LSD ) of the Faculty of Natural Sciences , UBA, and Daniel Margoliash , University of Chicago. The article, published in March , showed that the dynamics of bird song is encoded in a group of neurons in the cerebral cortex premotor , constituting a nucleus called Higher Vocal Center ( HVC , for its acronym in English ), which act as predictive and connected to different brain structures related to production and song learning.

El artículo, publicado en el mes de marzo, demostraba 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.

Esta investigación, que se enmarca en un proyecto financiado con $635.700 por la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica, derriba 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 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, podríamos aplicarlo 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.

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This research , which is part of a project funded with $ 635,700 by the National Agency for Scientific and Technological Promotion , demolishes the old idea that a group of cells would be those that indicate how and when to intervene different muscles and elements involved to occur singing. " Similar to humans, birds need a tutor to learn to sing, ie someone who copied and the HVC structure is involved at that time ," explains Ana Amador, postdoctoral fellow of CONICET in LSD.

HVC cells will reconfiguring during learning by incorporating the information necessary for the bird sing simultaneously acting with singing muscles . According to Gabriel Mindlin , principal investigator of CONICET and lab director : " understand the physical mechanisms involved in singing and to translate them into simple mathematical equations allowed us to approach electronics tiny , able to mimic a complex behavior such as voice and open a new bioprosthetic vocal stage . "

For the neural mechanisms of birds, the researchers placed sensors in the vocal muscles and a copy of Diamond Mandarin apparatus and temporarily silenced . When the bird was singing, recorded muscles were activated , the pressure exerted in the air sacs and the neural mechanisms that occurred . The information obtained allowed them to identify the most important factors for phonation and developed a simple mathematical model that allowed them to play the song of a bird of synthetic and in real time.

In the laboratory of the Faculty of Sciences, the scientists transferred the nonlinear model to an artificial synthesizer or chip to receive the movement of the muscles of the vocal apparatus Bird issued a sequence of electronic pulses , which when translated into sounds, gave as a result of a bird singing in real time. This work , with which Ezekiel Arneodo performed his doctoral thesis , scientific milestone marks a unique of its kind because it corresponds to the first miniaturized device , ie , an electronic syrinx , which synthesizes a singing bird in real time.

The obtained synthetic singing is so similar to the actual confuses the bird as their own . Thus, Ana Amador from the United States , where he performed his post-doctoral , confirmed that the neuronal activity of the birds that was activated with his own voice acted similarly to the synthetic sound . This progress was presented at the annual conference of the Society for Neuroscience U.S. .

It appears that if this line of research advances would be possible to create a device that can be applied in humans who have lost speech. "If we understand in the same way how the vocal apparatus of human works , vocal cords and upper vocal tract , and how the brain sends motor commands and how they produce the diversity of elements that make up human speech , we could apply a portable prosthetic solution very low computational cost , "says Mindlin .

Unlike birds, the vocal apparatus of the people has a sophisticated modulation lips and tongue. The challenge in this case is to measure non-invasively a low number of parameters and physiological , muscle and pressure - that are necessary to operate the chip and ex post faithfully synthesize a voice to people who lost speech to communicate.

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