Empleo de coordenadas motoras para decodificar el sistema motor en el canto de aves

• Autores: Sanz Perl Hernández, Yonatan
• Año de publicación: 2014
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Mindlin, Gabriel Bernardo
• Materia: CANTO DE AVES; GESTOS MOTORAS; SISTEMA MOTOR; SONGBIRD; MOTOR GESTURES; MOTOR SYSTEM
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

El trabajo que relata esta tesis se basa en la implementación de herramientasde análisis provenientes de la física en áreas vinculadas a las neurociencias. En particular esta tesis se encarga de mostrar la validez de estas herramientas ysu capacidad de ser incorporadas como nuevas técnicas de analisis para abordarproblemáticas típicas en neurociencias con otro punto de vista. Las aves canoras, modelo animal empleado en esta tesis, tienen la capacidadde aprender y generar un comportamiento complejo que es el canto. Para ellocuentan con un sofisticado órgano fonador, llamado Siringe, que es controladomediante instrucciones provenientes del sistema nervioso. Durante la última décadael Laboratorio de Sistemas Dinámicos ha realizado numerosos trabajos sobreel funcionamiento la Siringe, buscando comprender cuánto de la complejidad delcanto se debe a la complejidad propia del organo fonador y cuánto se debe a complejidaden las instrucciones. Para ello se han realizado modelos matemáticos debaja dimensión, operacionales y predictivos capaces de generar sonidos sintéticosmuy similares a los del ave, permitiendo asimismo comprender cuáles son las instruccionesnecesarias para la obtención de dichos sonidos. Esta tesis se encarga en primera instacia de mostrar la pertinencia de dichosmodelados para el caso del Diamante mandarín en términos de 3 observables distintos,para luego ir tras la pregunta de cómo están organizadas las instruccionesen el sistema nervioso. En términos de características acústicas se comprobó lossonidos generados con el modelo presentan la misma relación entre frecuenciafundamental y contenido espectral que los sonidos reales del ave, sonidos de bajafrecuencia fundamental presentan alto contenido espectral y viceversa. Por otrolado, en términos de los gestos motores se comprobó que los gestos de presión ytensión que emplea el ave durante su canto para controlar la siringe, están fuertementecorrelacionados con los parámetros del modelo que dan cuenta de la presióny la tensión. Finalmente, se confirmo la pertinencia del modelo en términos derespuesta neuronal en neuronas selectivas al canto propio en núcleos vinculados alaprendizaje y generación del canto. Para ello se realizaron experimentos de electrofisiología tanto en aves despiertas como dormidas mostrando que la respuestaneuronal presentada ante el estímulo de su propio canto grabado era muy similara la presentada ante el estímulo del canto sintético. Vale aclarar que para lograr ese resultado fue necesario realizar una serie de mejoras al modelo, como la inclusión de un tracto vocal superior que actuara como filtro dinámico del sonidopermitiendo incorporar mejoras tímbricas canto sintético. Finalmente con el modelado validado se abordo la pregunta de cómo codificael cerebro la generación del canto. Para ello, se propuso realizar un cambio de coordenadas,de las acústicas (donde se venía estudiando el problema desde años) alas motoras. En estas coordenadas, se pudo observar una fuerte relación entre losdisparos neuronales en el HVc (núcleo vinculado al aprendizaje y generación delcanto) y los extremos de los gestos motores que se obtienen a partir del modeladodel canto. Este resultado abrió un debate en el área, ya que hasta entonces el paradigmaestablecido afirmaba que los disparos en HVc eran cómo un "reloj" que disparaequidistante sin relación con la generación del canto. Este resultado, asimismose suma a otros resultados que aparecen en la literatura de los últimos años quemuestran observaciones contradictorias con el paradigma del "reloj". En esta tesisse plantea el debate como algo abierto aún y a la espera de la existencia de unmodelo de sistema motor en el canto de ave que integre todas estas observacionesrecientes.
This thesis is based on the implementation of analysis tools from physics inareas related to neuroscience. In particular, this thesis seeks to show the validityof these tools and their ability to be incorporated as new analytical techniquesto approach typical problems in neuroscience from a different point of view. Songbirds, animal model used in this thesis, have the ability to learn andgenerate a complex behavior which is singing. In order to sing, they have a sophisticatedvocal organ called Syrinx, which is controlled by instructions fromthe nervous system. During the last decade the Dynamical Systems Lab has performedextensively on the Syrinx operation, seeking to understand how much ofsong complexity is due to the complexity of the vocal organ and how much is dueto complexity in the instructions. This has been done, operational and predictivelow dimensional mathematical models capable of generating very similar to thoseof synthetic bird sounds, allowing also understand what the instructions for obtainingthese sounds are. This thesis is responsible in the first instance to show the relevance of thosemodeled for the case in terms Zebra finch 3 different observables, then go afterthe question of how instructions are organized in the nervous system. In terms ofacoustic characteristics of sounds generated was found to have the same patternrelationship between the fundamental frequency and the actual spectral contentof the bird sounds, sounds of low fundamental frequency and vice versa at highspectral content. On the other hand, in terms of motor gestures it was found thatthe pressure and tension gestures employing the bird for its song to control thesyrinx, are strongly correlated with the model parameters that account for thepressure and tension. Finally, the relevance of the model was confirmed in termsof selective neuronal response to own singing in nuclei related to song learningand generation of neurons. This electrophysiology experiments were conductedin both awake and asleep birds showing that the neural response to the stimuluspresented their own recorded song was very similar to that presented to the stimulus of synthetic singing. It is clear that to achieve this result it was necessaryto make a number of improvements to the model, the inclusion of an upper vocaltract act as dynamic filter allowing incorporate timbral sound improvementssynthetic singing. Finally modeling validated with the question of how encoding celebratedsinging generation board. To do this, it was proposed to make a change of coordinates,acoustic (where the problem had been studying for years) to the motor. In these coordinates, we observed a strong relationship between neuronal firingin HVC (nucleus linked to learning and singing generation) and the ends of themotor gestures obtained from the modeling of singing. This result opened a debate in the area, because until then the establishedparadigm claimed that the shots were HVc how a " clock 'equidistant firing unrelatedto the generation of singing. This result also adds to other results reportedin the literature in recent years that show contradictory observations with theparadigm of " clock '. In this thesis the discussion as open still and waiting forthe existence of a power model in the singing bird that integrates all these recentobservations system arises.
Fil: Sanz Perl Hernández, Yonatan. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.