Sistemas dinámicos

La pista del mandarín

informes — por el 19/09/2016 a las 12:30

Un equipo de científicos intenta comprender los procesos involucrados en la fonación humana a través del estudio del canto de los pájaros, y la escucha y el análisis de sus sueños. También desarrollan un sistema que pueda reproducir fonemas a través de la mímica.

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El diamante mandarín (Taeniopygia guttata), a diferencia del resto de la mayoría de las aves, aprende a cantar de su padre o un tutor, como ocurre con los humanos a la hora de lanzarse a hablar. David Cook/Flickr.

El diamante mandarín (Taeniopygia guttata), a diferencia del resto de la mayoría de las aves, aprende a cantar de su padre o un tutor, como ocurre con los humanos a la hora de lanzarse a hablar. Foto: David Cook/Flickr.

http://nexciencia.exactas.uba.ar/audio/GabrielMindlin.mp3
Descargar archivo MP3 de Gabriel Mindlin

Cómo canta este pájaro. Esta frase, dicha habitualmente entre signos de admiración, los científicos la formulan en tono de pregunta. La intriga acerca de cómo cantan las aves ya dio lugar a resultados y conocimientos que ayudan a comprender procesos más complejos, como la fonación en humanos; y hasta ponen en duda el modelo de consolidación de la memoria.

En la Argentina, recientemente se han hecho experimentos en que una persona –con solo tres detectores en la boca– hace la mímica de lo que quiere decir y la computadora habla por ella. Hasta el momento, los investigadores lograron reproducir la mitad de los fonemas del español, y siguen investigando para alcanzar un aparato vocal virtual con todos los sonidos posibles.

Mientras trabajan en distintos enfoques de desarrollos aplicables a problemas de salud, también han podido investigar qué pasa por el cerebro de algunas aves mientras duermen. “Estamos escuchando el sueño de los pajaritos”, dice sonriente Gabriel Mindlin, director del Laboratorio de Sistemas Dinámicos en el Pabellón I de la Ciudad Universitaria, teniendo como telón de fondo algunos de estos animales que atrapan la atención curiosamente en el departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos de Aires (Exactas-UBA).

Fiel a su pareja, muy sociable y parlanchín, el diamante mandarín (Taeniopygia guttata) resulta a simple vista simpático por su pico rojo en los machos y más anaranjado en las hembras. Muy pequeño, y con apenas 12 gramos de peso, su canto insistente resulta parecido a cuando se hace sonar un patito de goma de juguete. Pero lejos de lo que le ocurre a más de la mitad de las aves, que reproducirán el mismo sonido sin variación a lo largo de toda su vida, esta especie aprende a cantar de su padre o un tutor, como ocurre con los pichones de humanos a la hora de lanzarse a hablar.

“El ser humano necesita aprender la vocalización a partir de haber escuchado a los padres hablar. Este componente de imitación se da en muy pocas especies, lo compartimos con los

Los investigadores insertaron electrodos en los músculos usados por el aparato vocal aviar y midieron la presión de los sacos aéreos mientras el ave canta. Foto: Juan Pablo Vittori. Exactas Comunicación.

Los investigadores insertaron electrodos en los músculos usados por el aparato vocal aviar y midieron la presión de los sacos aéreos mientras el ave canta. Foto: Juan Pablo Vittori. Exactas Comunicación.

cetáceos y con estas aves canoras. De estas, hay tres grupos: los oscinos (que incluyen cerca de 4000 especies, entre ellas los canarios y jilgueros); los colibríes y los loros”, especifica este investigador del CONICET y ganador de numerosos premios. “El 40% de las aves necesita un tutor para aprender a cantar, el resto tiene la grabación ya impresa en el hardware. La paloma –ejemplifica– posee un programa como si fuera una moviola con una cinta ya establecida, que ejecuta una y otra vez; y no cambiará nada a lo largo de toda su vida”.

Pero a este equipo de científicos, solo le interesan aquellos pájaros que necesitan de un maestro para aprender su idioma, porque buscan estudiar un aparato fonador lo más parecido posible al de los humanos. Y, al igual que nosotros, estas aves hasta tienen su dialecto y tonada. “Un chingolo de Mar del Plata no canta igual que uno de otra zona de Buenos Aires. Según el lugar donde creció cambia tanto las sílabas introductorias como la tasa de disparo de las sílabas del trino”, compara y enseguida se refiere a quien prestó oído a estas diferencias hace más de medio siglo en América del Norte.

“En la década del 50, en una región de la costa oeste de Estados Unidos, Peter Marler encontró una especie –primos de los chingolos– que, pese a habitar a muy pocos kilómetros de distancia entre sí, tenían repertorios distintos. Estudió estas aves durante mucho tiempo y vio que utilizan una variedad de cantos para establecer comunicaciones y resolver disputas en los límites territoriales”, memora, y resalta: “Dependiendo de la especie, las variaciones del canto pueden ser muy distintas, o pueden ser como el caso del chingolo donde son solo tonadas distintas, porque los cambios son sutiles”.

Así como una correntina no comparte la tonada de un cordobés y cualquier argentino logra identificarla a poco de desandar una charla, los investigadores han agudizado tanto sus

conocimientos que también detectan cuando alguna de estas aves se quedó huérfana de maestro. “Si no tienen un tutor, harán cosas que no se reconocerían como un canto típico de la especie. No es cualquier cosa, pero es un sonido más errático y se lo percibiría como algo raro”, describe.

El primer canto que aprendieron es algo así como la lengua madre, y el que los marcará de por vida. En las aves esta etapa de aprendizaje dura un determinado número de días. Luego, “se cierra esa ventana y hay un conjunto de sustratos químicos que hace que el cerebro no tenga la misma plasticidad. Algo similar pasa con el humano cuando adquiere un idioma, esa ventana de plasticidad básicamente se cierra. Esto mismo le ocurre a los bebés chinos, a quienes les cuesta tanto distinguir entre una ele y una ere (del español), no solo de pronunciación sino perceptualmente”, grafica.

En este proceso de aprendizaje, el cerebro del animal se va reconfigurando y “hay una serie de cambios hasta que el ave logra las vocalizaciones que lo acompañarán toda su vida”, puntualiza.

Para escucharte mejor
“Cuando se mide la actividad muscular del ave mientras duerme, se encuentra que de tanto en tanto genera el patrón de actividades correspondiente al canto. Con modelos matemáticos es posible ‘escuchar’ lo que está soñando”. Foto: Diana Martinez Llaser. Exactas Comunicación

“Cuando se mide la actividad muscular del ave mientras duerme, se encuentra que de tanto en tanto genera el patrón de actividades correspondiente al canto. Con modelos matemáticos es posible ‘escuchar’ lo que está soñando”. Foto: Diana Martinez Llaser. Exactas Comunicación

Como físicos, a estos científicos en los inicios de sus trabajos les interesaba saber cuánto de este proceso complejo de aprendizaje provenía de las características propias del aparato vocal, y cuáles se debían a instrucciones impartidas desde la pequeña cabecita del ave. Enseguida construyeron modelos matemáticos sobre estos fenómenos de la naturaleza para poder entenderlos, y luego claro está, controlarlos.

Si un puñado de centímetros puede ser el total de la altura de estos pájaros cantores estudiados por este equipo de Exactas, es de imaginar lo diminuto aún que resulta el aparato vocal. Justamente, en este minúsculo mundo fabricante de sonidos, los investigadores tomaron medidas de la siringe, como se llama al órgano vocal de las aves –en este caso de canarios–, y procesaron informáticamente los datos.

Miniaturas de músculos usados por el aparato vocal aviar fueron escudriñados en todos sus movimientos, así como las oscilaciones que se producen en los labios ubicados entre los bronquios y la tráquea cuando pasa el aire generando sonidos. Vieron que la presión con que ingresaba a la siringe y la tensión de los músculos que controlan la forma del aparato vocal, resultaban dos parámetros claves para la ecuación de su modelo, como publicaron en revistas prestigiosas como Nature.

“Nosotros hacemos experimentos donde insertamos electrodos en esos músculos y medimos la presión de los sacos aéreos mientras el ave canta. Todo ese registro luego alimenta nuestro sistema matemático y si nuestro modelo es correcto –ante esos parámetros que uno mide– se genera canto. Eso fue el comienzo del laboratorio”, relata, y señala que este tema, al ser tan importante para la neurociencia, los llevó a incorporar la electrofisiología. Es decir, mientras el ave está cantando ¿qué está pasando en las distintas partes del cerebro? “Eso es una parte del trabajo que busca incorporar el aspecto neuronal con la parte fisiológica. La hipótesis de trabajo del laboratorio es que el comportamiento no es solamente neuronas que disparan, sino que debemos integrar un aparato periférico con el sistema nervioso central. Y de la interacción de ambos junto con el ambiente es que surge el comportamiento”, subraya como punto de partida filosofal de sus estudios.

Escuchando sueños

Ya se han metido tan a fondo en esta cuestión, que ahora revelan haber podido escuchar el sueño de los pajaritos con resultados inesperados. Es que mientras estas aves duermen no pasa lo que se suponía que ocurriría. Y lo que sucede, según sus registros, cuestiona la teoría de consolidación de memoria actualmente imperante.

“Cuando se mide la actividad muscular del ave mientras duerme, se encuentra que de tanto en tanto genera el patrón de actividades correspondiente al canto, como si de noche estuviera practicando dormido el canto, pero también hace otros gestos motores. Como nosotros tenemos estos modelos matemáticos que dada cierta actividad muscular permite saber cómo suena, podemos conectarlo y escuchar lo que está soñando”, revela.

A simple vista, el pajarito presenta la respiración normal de alguien dormido, pero la actividad eléctrica de las neuronas baja hasta los músculos de la siringe como si cantara, pero por supuesto no lo hace de modo manifiesto porque al soñar está inhibida esa función. Pero, el equipo de Mindlin lo logró descifrar y se sorprendió con sus resultados.

“Durante mucho tiempo se pensó que la actividad fundamental durante el sueño era consolidar un gesto motor: practicar de noche lo que se va a ejecutar durante el día. Lo que encontramos es que la cantidad de veces que se practica lo que se hará de día es solamente el 15% del tiempo, el otro 85% está haciendo variaciones muy alocadas de la actividad motora. Nosotros estamos proponiendo la hipótesis de que en verdad lo que hace es adecuar su código de corrección de errores. Tiene consecuencias para la biología porque nosotros, al cuestionar aspectos del paradigma de la consolidación, nos inclinamos a ver que el ave lo que está haciendo es practicar un conjunto de escenarios motores que luego no va a ejecutar”, destaca Mindlin, uno de cuyos trabajos sobre el diamante mandarin, junto a su equipo de la UBA y de la Universidad de Chicago, fue seleccionado entre los diez mejores publicados en la revista Nature en 2013. “Con estas líneas de trabajo estamos muy entretenidos”, confiesa sonriendo.

Decirlo con voz sintética

En el mismo laboratorio, Marcos Trevisan, también doctor en física, trabaja en algo similar pero distinto. “Nosotros vamos a la saga de las investigaciones de la línea de aves. Tratamos de importar esas ideas para aplicarlas en humanos”, relata. Él y su equipo, con solo tres detectores colocados en la boca y conectados a una computadora, lograron reproducir con voz sintética lo que Marina o José deseaban expresar. “La persona hace la mímica de lo que quiere decir y la computadora habla por ella”, resume, y enseguida agrega: “Uno se imagina aplicaciones más o menos inmediatas en salud y también académicas”.

Un sensor en la lengua, otro en los labios y el restante en la mandíbula, son parte del instrumental para sacar sonidos del silencio. Por ahora, permite hacer oír la mitad de los fonemas del español, mientras continúan los estudios.

“Ahora mismo empezaremos con Gabriel (Mindlin) el modelado de fonemas que se llaman fricativos, las cuales se forman por turbulencias, como la ese o efe. Estas suenan ruidosas porque la fuente es turbulenta y se generan por el paso de aire por una constricción, una parte muy angosta del tracto vocal”, adelanta.

Ya ha logrado hacer audible o sintetizar las vocales y los fonemas plosivos “o explosivos, que son los que se perciben como un arranque repentino del tracto vocal, como la pe, te, de”, puntualiza quien ya ha sido parte del desarrollo del modelo matemático que reproduce la manera física de cómo se mueven las cuerdas vocales y cómo viaja el sonido en el tracto vocal.

En plena fase experimental, los investigadores no descansan hasta lograr decir sintéticamente la totalidad de los fonemas. “La idea es que la computadora resuelva con datos anatómicos la generación del habla. La aplicación inmediata que a uno se le ocurre es poder hacer hablar a alguien que no puede. De hecho, hay mucha gente que no puede expresarse porque no puede activar las cuerdas vocales, pero puede mover su tracto vocal”, advierte.

Otro de los desafíos por delante es acceder directamente a las señales neuronales que controlan el habla. Por ejemplo, se le pide a una persona, mientras se halla en un resonador magnético, que diga ciertas expresiones para visualizar qué áreas del cerebro intervienen en este proceso. Pero estos aparatos son demasiado lentos para seguir la velocidad con la que nos comunicamos. “Uno pronuncia muchas palabras por segundos, constituidas por muchos fonemas que se forman en microsegundos y no logran ser captados por el resonador”, menciona.

La solución es parte del problema. “La producción vocal necesita de escalas de tiempo más finas, de punto a punto en el momento en que se están produciendo. Eso se puede hacer básicamente con electrodos puestos en la cabeza, como se hace con aves, pero en humanos es más complejo. Es extraordinariamente invasivo porque se debe hacer una craneotomía”, define. Pero han logrado hacerlo gracias a un acuerdo profesional con el Hospital Italiano de Buenos Aires. “Usamos los datos que vienen de una serie de pacientes que se deben someter a una intervención quirúrgica por un tumor o una epilepsia intratable, y para ello se necesita acceso a las señales corticales”, indica. Para estas cirugías, los médicos requieren del monitoreo con electrodos en la corteza y “nosotros aprovechamos ese momento para hacer el estudio de producción vocal”, agrega.

El estudio, que comenzó hace un año, llevará mucho tiempo porque afortunadamente no hay demasiadas personas que requieran un tratamiento de estas características y que cumplan los requisitos para poder ser comprendidos en esta investigación, “ya que deben ser intervenidos en el hemisferio izquierdo, donde se localiza mayormente el habla”, explica.

¿Qué hace un físico metido en el cerebro? “No es lo clásico –responde Trevisan– pero va a pasar a serlo. Hacia fin de siglo, la física se metió en cuestiones como las finanzas, el mundo de la economía, las epidemias. La física es el modo de pensar el problema, es la posibilidad de imponer la matemática a temas de la naturaleza”, concluye.

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