Darwin, canarios y neuronas

Skills: Cosas sobre Aves
EL CANTO DE LAS AVES Y SU ESTRUCTURA NEUROBIOLOGICA Y NO LINEAL
 
El lenguaje nos diferencia de las demás especies animales. Sin embargo, nuestra forma de aprender a hablar tiene algunas similitudes con el modo en que los pájaros llegan a dominar el canto. En efecto, una gran cantidad de especies de aves aprende a producir sonidos melodiosos a partir de la imitación de un tutor.
Ese parecido entre el lenguaje humano y el canto de los pájaros ya había sido señalado por Charles Darwin en su obra El origen del hombre (1871). Para el célebre naturalista británico, el lenguaje era un “instinto” de la especie humana, y habría evolucionado a partir de las formas primitivas de vocalización.
Darwin veía muchos puntos de contacto entre el canto de las aves y el habla humana. Por ejemplo, su carácter en parte innato y en parte aprendido, la existencia de una fase en las aves que podría equipararse al balbuceo infantil, y también la diversidad geográfica de sus manifestaciones, que dan lugar, incluso en una misma especie, a que existan dialectos.

Maestros de música

Recién nacidos, los pichones sólo hacen sonidos para pedir comida. Después pasan por una etapa en la que escuchan cantar al tutor o al padre, y empiezan a ejercitarse, en forma similar a los primeros intentos de pronunciar palabras que realizan los niños. Luego de esa práctica, y de contrastar su propio canto con el modelo interno que habían incorporado, logran ejecutar el canto adulto.
Por esta razón, estudiar la producción del canto en los pájaros puede arrojar luz sobre la forma en que el habla está codificada en nuestras neuronas y, en última instancia, sobre cómo el cerebro puede aprender una tarea compleja. Dado que describir cómo surge el habla humana puede ser una tarea casi inaccesible, ¿por qué no comenzar por un modelo más sencillo?
Al igual que el habla humana, el canto de las aves comprende aspectos neuronales (instrucciones) y físicos (órganos que operan en la ejecución de los sonidos). El camino, entonces, es empezar por la parte física. Así fue como Gabriel Mindlin, director del Laboratorio de Sistemas Dinámicos de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, comenzó por lo más accesible, y desarrolló un modelo físico de cómo funciona el aparato vocal de las aves, para ver qué tipo de instrucciones neuronales tuvo que ejecutar el pájaro para producir esa vocalización.
El órgano fonador de las aves es la siringe, ubicada en la parte baja de la tráquea, y es el equivalente de nuestras cuerdas vocales. Al pasar el aire por este órgano, vibran sus paredes produciendo el sonido. El sistema es muy sencillo. Sin embargo, es capaz de generar melodías muy variadas. Desde el punto de vista de la física, se trata de un sistema no lineal, es decir, un sistema que tiene un comportamiento no totalmente predecible, porque el resultado final no es proporcional al valor de las variables.

Lo sencillo y lo complejo

En la naturaleza existen numerosos ejemplos de sistemas no lineales. Uno de ellos es la dinámica de las poblaciones, que varía en forma no lineal debido, entre otros factores, a epidemias, escasez de alimentos y competencia por los recursos; inclusive, la tasa de crecimiento podría ser negativa. En otras palabras, cuando las tasas de variación son proporcionales al estado de las variables, esa variación es lineal. En cambio, los comportamientos no lineales son caóticos, y van contra la intuición. El cerebro, precisamente, constituye un sistema no lineal, debido a su gran complejidad, y su emergente son comportamientos no totalmente predecibles.
La especialidad de Gabriel Mindlin son los sistemas no lineales y, aunque al finalizar su doctorado no estaba en sus planes estudiar el canto de los pájaros, el azar lo llevó por ese camino a comienzos de la década del ’90. En ese momento, tropezó con el tema que hoy ocupa la atención de su laboratorio, a partir de un pedido, por parte de la Justicia, de realizar un aporte técnico al esclarecimiento de un caso.
“Un juez había recibido unas grabaciones con denuncias de corrupción, y era necesario validar la identidad de los hablantes”, relata. De este modo, comenzó a estudiar cómo se genera la voz humana, con el fin de extraer una herramienta que permitiera identificar el origen de una voz en particular.

De la física a la biología

“En ese momento, empezamos a construir los primeros modelos. Al principio nos centramos sólo en el aspecto teórico. Después, la magnitud del trabajo ameritaba hacer un esfuerzo para montar un laboratorio”, explica.
A mediados del 2003, Mindlin logró montar un laboratorio experimental en el Departamento de Física de Exactas. “Empecé con la parte de fisiología animal haciendo cirugías en los pájaros, con ayuda del personal veterinario que contratamos. Al mismo tiempo, formé gente que se fue a especializar a Estados Unidos en neurociencias”, explica Mindlin.
Desde el punto de vista de la neurociencia, el sistema del canto de las aves se encuentra bien establecido, y hay varios laboratorios en el mundo que lo investigan. “Es un modelo ideal para estudiar cómo se aprende una tarea compleja como la vocalización, y tiene mucho paralelismo con el humano”, señala Mindlin, cuyo laboratorio es hoy el único en el mundo que es capaz de integrar la parte fisiológica, la neurológica y la física, que consiste en el modelado del proceso.

El código en las neuronas

En un trabajo publicado en Nature, Mindlin, la doctora Ana Amador y el estudiante de doctorado Yonatan Sanz Perl pusieron a prueba un modelo biomecánico, midiendo la actividad de las neuronas que controlan los movimientos musculares para ejecutar el canto.
El canto posee gran complejidad: frecuencia, contenido espectral, duración, entre otros, y esa complejidad está controlada, en el ave, por dos parámetros: la presión en los sacos aéreos y la tensión en las membranas de la siringe. Esas dos señales, que los investigadores denominan gestos motores, pueden permitir conocer de qué manera están codificados esos parámetros en las neuronas. Esos parámetros sencillos permiten acceder a la complejidad del cerebro.
Cuando se ejecuta una acción, las neuronas se activan, y esa actividad puede medirse. “Lo que vimos es que la activación de las neuronas no era arbitraria, sino que éstas controlaban movimientos muy específicos: el comienzo de los gestos motores, el punto máximo y la etapa final. El modelo biomecánico que desarrollamos, al ser una representación sencilla, permitió determinar cómo era el patrón de la activación en un núcleo del cerebro”, detalla el investigador.

Reconocer el propio canto

Mindlin y Sanz Perl lograron generar un canto artificial, que si el pájaro podía reconocer como propio, permitiría explicar en detalle cómo funciona el sistema. Para determinarlo, la doctora Ana Amador realizó una serie de experimentos durante su posdoctorado en el Laboratorio de Neuroetología de la Universidad de Chicago (Estados Unidos).
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 ese núcleo hay algunas neuronas que son selectivas al canto y se activan cuando el pájaro escucha su propia melodía, pero no responden frente a otros sonidos, aunque sean parecidos”, explica la investigadora.
Según la hipótesis planteada, si el canto sintético no era una copia idéntica del real, las neuronas del pájaro se mantendrían silenciosas. Luego de algunos intentos, los investigadores lograron que el canto artificial sonara igual al natural, modificándolo y dándole mayor riqueza de sonidos. Así pudieron comprobar que las mismas neuronas que se activan cuando el pájaro escucha el canto lo hacen cuando el ave produce su canto.
En una parte del experimento, se le hacía escuchar el canto al ave dormida, y, mediante los electrodos, se podía determinar qué neuronas se activaban. En otro momento, al ave despierta se le mostraba una hembra y entonces se ponía a cantar. Mediante un dispositivo implantado en el cerebro del pájaro, Ana Amador podía controlar los electrodos en forma remota, y localizar las neuronas que se estaban activando.
De ese modo, se logró determinar la actividad en un núcleo específico del cerebro del ave. Pero el trabajo continúa. “Mediante el estudio de los gestos motores, nos gustaría interpretar qué pasa en la mayor cantidad posible de núcleos del cerebro”, explica Mindlin.
El objetivo ahora es estudiar, por ejemplo, el núcleo que participa en la corrección de errores y determinar el código neuronal; y saber, por ejemplo, qué hace ese núcleo, si refuerza lo que anda bien y modifica lo que anda mal, o si tiene que esperar cierto tiempo para enviar un mensaje de error.

Recuperar la voz

En 2011, Mindlin, junto con su equipo, logró desarrollar un dispositivo biomimético destinado a hacer cantar a aves mudas, lo que abrió la posibilidad de generar prótesis vocales para humanos, una aplicación a la que el laboratorio se encuentra abocado en la actualidad. “Nuestro plan a cinco años es desarrollar una prótesis vocal para personas que han perdido la laringe o que, incluso, sufran una parálisis total”, asegura Mindlin.
“Hemos avanzado en la parte electrónica, en la construcción del dispositivo vocal, y queremos trabajar en colaboración con neurocientíficos para controlar nuestros dispositivos con actividad cerebral”, subraya.
Hasta ahora los investigadores lograron obtener una prótesis vocal que puede mover las articulaciones. A mediano plazo, el objetivo es articularlo con la actividad cerebral.
Mindlin reflexiona: “Tal vez sea posible en pocos años ver a un parapléjico caminando, pero eso va a ser el resultado de la investigación básica”, y concluye: “Sin investigación básica sería imposible desarrollar ningún tipo de aplicación”.
* Centro de Divulgación Científica, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, UBA.
FUENTE: Pagina12.com.ar
Casadeldiamant.com