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Universidad de Chicago
Pájaros cantores cerebros 'coordinar el canto con timingResearch intrincada puede ayudar a explicar cómo el cerebro humano gobierna el habla
Como un pájaro canta, algunas neuronas en su cerebro se preparan para realizar los siguientes sonidos mientras que otros están sincronizadas con la nota-una corriente de coordinación de la expresión corporal y la actividad cerebral que se necesita para producir los movimientos complejos, una nueva investigación de la Universidad de Chicago muestra.
En un artículo publicado en la edición actual deNature, neurocientífico Daniel Margoliash y sus colegas muestran, por primera vez, cómo se organiza el cerebro para regular el desempeño de un experto hallazgo que podría conducir a nuevas formas de entender la producción del habla humana.
El nuevo estudio muestra que los movimientos físicos de los pájaros en realidad están compuestas por una multitud de pequeñas acciones. "Es increíble que estas pequeñas unidades de movimientos están codificados, por lo que, precisamente, a nivel del cerebro anterior," dijo Margoliash, profesor de biología de organismos y de la anatomía y psicología en la Universidad de Chicago.
"Este trabajo proporciona una nueva visión de cómo se representan la física de la producción de señales vocales en el cerebro para controlar las vocalizaciones", dijo Howard Nusbaum, un profesor de psicología en la Universidad de Chicago y experto en el habla.
Al decodificar la representación neural de la comunicación, Nusbaum explicó, la investigación puede arrojar luz sobre los problemas del habla, como la tartamudez o afasia (trastorno después de un accidente cerebrovascular). Y ofrece una ventana inusual en cómo el cerebro y el cuerpo llevan a cabo otros tipos de movimiento complejo, de lanzar una pelota para hacer un backflip.
"Una gran pregunta en el control muscular es como el sistema motor organiza la dinámica del movimiento", dijo Margoliash. Movimientos como alcanzar o agarrar son difíciles de estudiar debido a que implican muchas variables, tales como los ángulos del hombro, el codo, la muñeca y los dedos; las fuerzas de muchos músculos; y cómo éstos cambian con el tiempo ", dijo.
"Con toda esta complejidad, ha sido difícil determinar cuál de las muchas variables que describen los movimientos son los que están representados en el cerebro y se utiliza para controlar los movimientos", dijo.
Es difícil encontrar un marco natural con el que analizar la actividad de neuronas individuales. El estudio de aves nos proporcionó una oportunidad perfecta ", dijo Margoliash. Margoliash es un pionero en el estudio de la función del cerebro en las aves, con los estudios que incluyen cómo se produce el aprendizaje cuando un pájaro duerme y recuerda cantando una canción.
Para el estudio actual, trabajó con Ana Amador, un investigador post-doctoral en la Universidad de Chicago y la Universidad de Buenos Aires estudiosos Yonatan Sanz Perl y Gabriel Mindlin. Los cuatro son coautores de theNaturepaper "Dinámica de gestos elementales están codificados por Song premotora neuronas corticales."
Para el estudio, el equipo estudió los pinzones cebra mientras que los pájaros cantaban y mientras dormían (cuando se emitieron las canciones a través de un altavoz). Los investigadores registraron la actividad de neuronas individuales a través de diminutos cables conectados a los cerebros de los pájaros.
Mindlin, profesor de física en la Universidad de Buenos Aires, y sus estudiantes han creado un modelo matemático de la mecánica del movimiento de la siringe, órgano vocal aviar. El equipo utilizó esa información para realizar un seguimiento de las conexiones entre las respuestas del cerebro y las acciones físicas necesarias para producir una canción.
Redujeron la descripción de una canción que sólo dos variables: la presión que empuja el aire a través de la siringa y la tensión de las membranas vibrantes de la siringe que se necesita para producir la canción. También compararon los plazos previstos por el modelo con la temporización de las respuestas de las neuronas de las aves "sistema de la canción."
El estudio reveló cómo la actividad en los niveles superiores del cerebro de las escuchas funciones motoras básicas. El equipo también se evita un problema eruditos previamente encontrados. En el pasado, los investigadores no saben cómo relacionarse canción con las variables de presión y la tensión, y por lo que tenían una comprensión incompleta de cómo las neuronas controlan canción, dijo Margoliash. Por ejemplo, una teoría anterior de control de canción sostuvo que estos movimientos complejos se rigen por un reloj en el cerebro que funciona independiente de la canción.
Al observar las variables fisiológicas que el ave utiliza para controlar el canto, el equipo fue capaz de encontrar algo que otros no habían visto antes: la sincronización exacta entre el disparo de la neurona y la acción relacionada con ella.
"Una observación interesante que hicimos realmente nos sorprendió: que las neuronas del prosencéfalo fuego precisamente en el momento en que se está produciendo una transición sólida", explicó Margoliash. "Pero se necesita demasiado tiempo para la actividad en el cerebro anterior de influir en la caja de sonidos de las aves, en la periferia", continuó Margoliash. Las neuronas que el equipo investigado está realizando el seguimiento y codifican momentos particulares en la canción, pero no controlan directamente. "Los niveles más bajos del cerebro son el control de la salida de sonido, pero el momento de estas neuronas sugieren que están ayudando a evaluar la retroalimentación del sonido producido."
Retroalimentación similar desempeña un papel esencial en la coordinación de la voz humana, y en el desempeño cualificado de los atletas y los músicos. Ahora, por primera vez, hay una descripción matemática que coincide con la actividad cerebral de un comportamiento altamente cualificados, en los hermosos cantos de las aves.
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