El estudio demuestra las posibilidades de una futura prótesis de voz para humanos

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Puede recrear el canto de un pájaro con solo leer su actividad cerebral, muestra un primer estudio de prueba de concepto de la Universidad de California en San Diego. Los investigadores pudieron reproducir las complejas vocalizaciones del pájaro cantor hasta el tono, el volumen y el timbre del original.

Publicado el 16 de junio en Biología actual, el estudio sienta las bases para la construcción de prótesis de voz para personas que han perdido la capacidad de hablar.

“El estado actual del arte en prótesis de comunicación son dispositivos implantables que le permiten generar resultados textuales, escribiendo hasta 20 palabras por minuto”, dijo el autor principal Timothy Gentner, profesor de psicología y neurobiología en UC San Diego. “Ahora imagine una prótesis de voz que le permita comunicarse naturalmente con el habla, diciendo en voz alta lo que está pensando casi como lo está pensando. Este es nuestro objetivo final y es la próxima frontera en la recuperación funcional”.

El enfoque que utilizan Gentner y sus colegas involucra pájaros cantores como el diamante mandarín. La conexión con las prótesis vocales para humanos puede no ser obvia, pero las vocalizaciones de un pájaro cantor son en realidad similares al habla humana en varias formas. Son comportamientos complejos y aprendidos.

“En la mente de muchas personas, pasar de un modelo de pájaro cantor a un sistema que eventualmente ingresará a los humanos es un gran salto evolutivo”, dijo Vikash Gilja, profesor de ingeniería eléctrica e informática en UC San Diego, coautor del estudio I. “Pero es un modelo que nos da un comportamiento complejo al que no tenemos acceso en los modelos típicos de primates que se usan comúnmente para la investigación de prótesis neurales”.

La investigación es un esfuerzo de colaboración cruzada entre ingenieros y neurocientíficos de UC San Diego, con los laboratorios Gilja y Gentner trabajando juntos para desarrollar tecnologías de grabación neuronal y estrategias de decodificación neuronal que aprovechan la experiencia de ambos equipos en experimentos neurobiológicos y conductuales.

El equipo implantó electrodos de silicio en diamantes mandarina machos adultos y monitoreó la actividad neuronal de las aves mientras cantaban. Específicamente, registraron la actividad eléctrica de múltiples poblaciones de neuronas en la parte sensoriomotora del cerebro que, en última instancia, controla los músculos responsables del canto.

Los investigadores incorporaron las grabaciones neuronales en algoritmos de aprendizaje automático. La idea era que estos algoritmos pudieran crear copias generadas por computadora de canciones de diamantes mandarín reales basadas en la actividad neuronal de las aves. Pero traducir patrones de actividad neuronal en patrones de sonido no es una tarea fácil.

“Hay demasiados patrones neuronales y demasiados patrones de sonido para encontrar una única solución para mapear directamente una señal con la otra”, dijo Gentner.

Para lograr esta hazaña, el equipo utilizó representaciones simples de los patrones de vocalización de las aves. Se trata esencialmente de ecuaciones matemáticas que modelan los cambios físicos, es decir, cambios de presión y tensión, que tienen lugar en el órgano vocal del pinzón, llamado jeringa, cuando canta. Luego, los investigadores entrenaron sus algoritmos para mapear la actividad neuronal directamente a estas representaciones.

Este enfoque, dijeron los investigadores, es más eficiente que tener que mapear la actividad neuronal a las propias canciones.

“Si necesita modelar cada pequeño matiz, cada pequeño detalle del sonido subyacente, entonces el problema del mapeo se vuelve mucho más desafiante”, dijo Gilja. “Al tener esta simple representación del complejo comportamiento vocal de los pájaros cantores, nuestro sistema puede aprender mapeos más robustos y generalizables para una gama más amplia de condiciones y comportamientos”.

El siguiente paso del equipo es demostrar que su sistema puede reconstruir el canto de los pájaros a partir de la actividad neuronal en tiempo real.

Parte del desafío es que la producción vocal de pájaros cantores, como la de los humanos, implica no solo la emisión de sonido, sino un monitoreo constante del entorno y un monitoreo constante de la retroalimentación. Si pones auriculares a los humanos, por ejemplo, y demoras cuando escuchan su propia voz, solo interrumpiendo la retroalimentación temporal, comenzarán a tartamudear. Los pájaros hacen lo mismo. Están escuchando su propia canción. Hacen ajustes basados ​​en lo que acaban de escuchar cantar y lo que esperan cantar a continuación, explicó Gentner. Una prótesis de voz exitosa eventualmente tendrá que funcionar en una escala de tiempo tan rápida y también lo suficientemente intrincada como para acomodar todo el ciclo de retroalimentación, incluidos los ajustes para los errores.

“Con nuestra colaboración”, dijo Gentner, “estamos aprovechando 40 años de investigación sobre aves para construir una prótesis de voz para humanos, un dispositivo que no simplemente convertiría las señales cerebrales de una persona en un conjunto rudimentario de palabras completas. la capacidad de hacer cualquier sonido, y por lo tanto cualquier palabra, que puedan imaginar, liberándolos para comunicar lo que quieran “.

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