Investigadores de Exactas-UBA pusieron a prueba en pájaros un modelo biomecánico que permite entender cómo se aprende una actividad compleja. Lo hicieron midiendo la actividad de las neuronas que controlan los movimientos musculares para ejecutar el canto. Fue publicado en Nature. Podría permitir el desarrollo futuro de una prótesis de laringe.
El Diamante mandarín, la especie con la que trabajan en el Laboratorio de Sistemas Dinámicos. Foto: Gentileza Daniel D. Baleckaitis
El canto de los pájaros y el habla humana tienen algunos puntos en común. De hecho, una gran cantidad de especies aprende a cantar de manera similar a cómo un niño aprende la lengua materna al interactuar con quienes lo rodean. Por tal razón, estudiar la actividad cerebral de los pájaros cuando producen sus sonidos puede arrojar luz sobre la forma en que el habla está codificada en nuestras neuronas y, en última instancia, cómo el cerebro puede aprender una tarea compleja.
Al igual que el habla humana, el canto de las aves comprende aspectos neuronales (instrucciones) y físicos (órganos que operan en la ejecución del canto). Desde hace varios años, el físico Gabriel Mindlin, director del Laboratorio de Sistemas Dinámicos de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, viene desarrollando modelos que permiten explicar cómo funciona el aparato vocal de las aves, es decir, qué músculos actúan. Por su parte, las neurociencias estudian la estructura neuronal responsable de las instrucciones para que el aparato vocal produzca los sonidos. El trabajo publicado recientemente en Nature permite aunar los aspectos neuronales y los físicos, al explicar de qué manera las neuronas se van activando para producir cada uno de los sonidos que conforman el canto de un pequeño pájaro, el diamante mandarín.
El modelo biomecánico desarrollado por Mindlin reúne unos pocos parámetros fisiológicos, como la siringe, que es el órgano fonador de las aves, equivalente a nuestras cuerdas vocales; el tracto vocal superior, y el sistema respiratorio. Con estos parámetros, y una serie de ecuaciones matemáticas, el investigador junto con Yonatan Sanz Perl, estudiante de doctorado en el departamento de Física (Exactas-UBA), lograron generar un canto artificial, sintético. Si la copia es idéntica al canto original del pájaro, ello indica que el modelo propuesto permite explicar en detalle cómo funciona el sistema.
“Si bien el canto sintético parecía sonar igual al original, más allá de los cálculos matemáticos, nos pareció importante preguntarle al pájaro qué opinaba de ese canto”, relata la primera autora del trabajo, Ana Amador, que realizó sus experimentos durante su postdoctorado en el Laboratorio de Neuroetología de la Universidad de Chicago (Estados Unidos), que dirige Daniel Margoliash.
El ave tiene la palabra
Para obtener la confirmación del pájaro sobre la calidad del canto sintético, Amador aplicó electrodos en el cerebro del ave, y así pudo medir la actividad de las neuronas del núcleo especializado en la producción y aprendizaje del canto. “En esos núcleos hay algunas neuronas que son selectivas del canto, y se activan cuando el pájaro escucha su propia melodía, pero no responden frente a otros sonidos, aunque sean parecidos”, explica la investigadora. Cabe aclarar que el núcleo de neuronas encargado de procesar los sonidos del canto fue descripto en la década de 1980 por Margoliash.
Según la hipótesis planteada, si el canto sintético no era una copia idéntica del canto real, las neuronas del pájaro se mantendrían silenciosas. “Hicimos el primer experimento con un canto que nos parecía una copia muy buena, pero el pájaro no respondió”, cuenta Amador. Entonces hubo que mejorar el modelo y agregar riqueza de sonido al canto para que fuera idéntico al original.
“Con el nuevo modelo, volvimos a preguntarle al pájaro, y éste respondió con el mismo patrón frente a ambos cantos: el natural y el sintético”, relata Amador con satisfacción. Lo interesante es que las neuronas que se activan cuando el pájaro escucha el canto, lo hacen de la misma manera cuando el ave produce su canto.
Por su parte, Mindlin explica: “Según el modelo matemático, el cerebro del ave controla dos parámetros relevantes: la presión en los sacos aéreos y la tensión en las membranas de la siringe; al conocerlos, nos preguntamos de qué manera están codificados esos parámetros en las neuronas”. Y a continuación subraya: “Los códigos que existen en esas neuronas son muy interesantes porque participan también en el aprendizaje del canto”.
“El comportamiento físico posee mucha complejidad: frecuencia, contenido espectral, duración, entre otros, y esa complejidad está controlada por dos funciones en el tiempo, que equivalen a ceros y unos, porque las neuronas se activan o se inhiben. Gracias al modelo, se ve que la complejidad de la física está controlada sólo por dos funciones. Lo que vimos es que los disparos de las neuronas no eran arbitrarios, sino que controlaban movimientos muy específicos: el comienzo de estos gestos motores, cuando alcanzan el punto máximo, y cuando finalizan. El modelo biomecánico, al ser una representación sencilla, permitió ordenar cómo era el patrón de disparos en el cerebro”.
“Si bien es un modelo acerca de cómo cantan los pájaros, tiene la ventaja de que permite entender cómo se aprende a realizar una actividad compleja”, destaca Mindlin.
El diamante mandarín, una especie originaria de Australia, es el pájaro estrella de la neurociencia. Tiene la ventaja de que se reproduce en cautiverio con mucha facilidad y durante todo el año, por ello, en cualquier momento se puede disponer de aves de diferentes edades. Otra ventaja es que este proceso de aprendizaje ocurre en un lapso corto, 45 días desde que empieza a practicar los sonidos hasta tener un canto adulto.
Recién nacidos, los pichones no cantan, sólo hacen sonidos para pedir comida. Después pasan por una etapa en la que escuchan cantar al tutor o al padre, y luego empiezan a practicar, en forma similar a los primeros intentos de pronunciar palabras que hacen los niños. Luego de esa práctica, y de contrastar su propio canto con el modelo interno que habían incorporado, terminan alcanzando el canto adulto.
Gabriel Mindlin, Ana Amador y Yonatan Sanz Perl del Laboratorio de Sistemas Dinámicos de Exactas-UBA
Bioprótesis y ciencia básica
Estas investigaciones sientan las bases para producir, en un futuro, prótesis de laringe para aquellas personas a quienes se les debió extirpar. “Lo que hicimos en laboratorio hasta ahora podría dar lugar a un dispositivo bioprostético a partir de medir información de los músculos. Ahora, estos resultados permitirían medir directamente lo que pasa en el cerebro”, indica Mindlin, y reflexiona: “A largo plazo, sería interesante poder controlar la bioprostética, no ya a través de mediciones en la periferia, sino de lo que se procesa en el cerebro. Por ejemplo, controlar cómo camina un parapléjico midiendo la actividad cerebral, y colocar sensores en el cerebro que interpreten ese código y controlen dispositivos periféricos”.
Mindlin asegura: “Tal vez en pocos años vamos a ver a un parapléjico caminando”, y concluye: “Pero ese va a ser el resultado de la investigación básica. A veces se bromea sobre la utilidad de determinadas investigaciones, como por ejemplo las que se hacen con organismos muy pequeños, o incluso con el canto de los pájaros, pero sin esas investigaciones sería imposible desarrollar ningún tipo de aplicación”.
El experimento
Ana Amador realizó una parte de los experimentos con el ave dormida. A ésta se le hacía escuchar el canto y, mediante los electrodos, la investigadora podía determinar qué neuronas se activaban. En otra parte del experimento, al ave despierta se le mostraba una hembra, y entonces se ponía a cantar. Mediante un dispositivo implantado en el cerebro del pájaro, la investigadora podía controlar los electrodos en forma remota, y localizar las neuronas que se estaban activando.
“Lo interesante –señala Amador– es que las neuronas que controlan el canto se activan del mismo modo cuando el pájaro está dormido que cuando está despierto.
Fuente: UBA
http://noticias.exactas.uba.ar/describen-en-pajaros-como-el-cerebro-controla-el-canto
