Un físico en neurociencias:Desde la acústica a la audición

Enrique A. Lopez‐PovedaUniversity of Salamanca

Salamanca, Spain

ealopezpoveda@usal.eshttp://audiolab.usal.es

Seminarios +FísicaFac. Ciencias (Físicas), Universidad de Salamanca, 18 Oct. 2017

¿Un físico en neurociencias?

1993. Lic. Física (electrónica), Univ. Salamanca1996. PhD. Loughborough Univ. (UK)1996. Post‐doc, Univ. Essex (UK)1998. Servicio Militar, Armada Española, Madrid.1998. GMV SA, Madrid1998. Fac. Medicina, Univ. Castilla‐La Mancha2003. Investigador Ramón y Cajal, INCYL. Univ. 

Salamanca2010. Univ. Minnesota (USA)2014. Fac. Medicina. Univ Salamanca2014. Duke University (USA)

¿Qué es la acústica?

• La acústica es una rama de la físicainterdisciplinaria que estudia el sonido, infrasonido y ultrasonido (…) por medio de modelos físicos y matemáticos.

• A efectos prácticos, la acústica estudia la producción, transmisión, almacenamiento, percepción o reproducción del sonido.

• La ingeniería acústica es la rama de la ingeniería que trata de las aplicaciones tecnológicas de la acústica.

Fuente: Wikipedia

¿Desde la acústica a la audición?

¡Psicoacústica!La psicoacústica es el estudio científico de la percepción del sonido.

Laboratorio de Audición Computacional y Psicoacústica

Investigación básica

Teorías de la audición

Modelos computacionales

Aplicaciones y tecnologías audiológicas

FÍSICA

INGENIERÍAAUDIOLOGÍA

PSICOLOGÍA

MEDICINA‐ORL

Algunos colaboradores

• Centros• University of Innsbruck (Austria)• Duke Hearing Centre (USA)• Eriksholm Research Centre (Dinamarca)• Boys Town National Research Hospital (USA)• Hannover Medical School (Alemania)

• Empresas:• MED‐EL GmbH (Austria). Implantes cocleares• Starkey Ltd. (USA). Audífonos• Oticon, Interacoustics (Dinamarca). Audífonos. Diagnóstico. Implantes cocleares

Algunos proyectos de investigación

¿Cómo localizamos los sonidos?

Proyecto 1

Lord Rayleigh ‐ John W. Strutt

• Maldon, Essex, UK• 1842‐1919• Físico• Descubrió el Argón• Premio Nobel de Física (1904)

Usamos las diferencias inter‐auriculares

de tiempo de intensidad

También percibimos el espectro del sonido

0

90

-40

360

270

Angu

lo v

ertic

al (g

rado

s)An

gulo

hor

izon

tal (

grad

os)

Frecuencia (Hz)

Frecuencia (Hz)

V1

V1

V3

V3V2

V2

Elevación –40º

Azimut 0º

Lopez-Poveda & Meddis (1996). J. Acoust. Soc. Am.

Un modelo de difracción y reflexión del sonido en la concha

Tímpano

Canal auditivo

Frente de onda plano

0

Lopez-Poveda & Meddis (1996). J. Acoust. Soc. Am.

La función de transferencia acústica de la concha

Lopez-Poveda & Meddis (1996). J. Acoust. Soc. Am.

Aplicaciones

• En robótica• Robots guiados por sonido

• En realidad virtual• En generación de sonido 3D• Sonido envolvente (‘surround sound’)

Simulación de la respuesta mecánica no lineal de la cóclea

Proyecto 2

Georg von Békesy

• Budapest. 1899‐1972• Físico• Descubrió la organización tonotópicade la cóclea

• Premio Nobel de Fisiología y Medicina (1961)

Nervio auditivoOreja Tímpano Estribo Cóclea

Oído externo

Oído medio

Oído interno

Concha

El oído

17

La cóclea

Tímpano

CócleaNervio auditivo

Membrana basilar

1500

2000

3000

40005000

7000

20000400

600200

8001000

Base

Apex

Frecuencia característica

Sonidos graves

Sonidos agudos

Cocleotopía

19Figura adaptada de Lopez‐Poveda y Meddis (2005) Mente y Cerebro

La sintonización no es linealWilliam S. Rhode (1971). J. Acoust. Soc. Am.

Ruggero et al. (1997). J. Acoust. Soc. Am.

Depende del nivel sonoro de estimulación acústica

Un modelo computacional de la respuesta de la membrana basilar

Lopez‐Poveda y Meddis (2001) J. Acoust. Soc. Am.

El modelo reproduce los datos experimentales

López‐Nájera, Lopez‐Poveda, y Meddis (2007) J. Acoust. Soc. Am.

Meddis, O’Mard y Lopez‐Poveda (2001) J. Acoust. Soc. Am.

Aplicaciones

• Reconocimiento del habla (Google, Microsoft).• Compresión de audio (MP3)• Audífonos• Implantes cocleares• Modelos computacionales de sonoridad, inteligibilidad, pérdida de audición

• Modelos computacionales del cerebro auditivo (Human brain Project)

Simulación de la transducción acústico‐neuronal

Proyecto 3

Alan L. Hodgkin

• Banbury, Reino Unido• 1914‐1998• Biofísico• Descubrió y modeló las bases del potencial de acción de los nervios

• Premio Nobel de Fisiología y Medicina (1963)

Andrew Huxley

• Londres, Reino Unido• 1917‐2012• Biofísico• Descubrió y modeló las bases del potencial de acción de los nervios

• Premio Nobel de Fisiología y Medicina (1963)

El oído interno

Transducción acústico‐eléctricaen la célula ciliada interna

VesiclereleaseCa2+

Stereociliadeflection

Nerve terminal

gA

Ca2+

60 mV

K+K+

K+

K+

Circuito eléctrico equivalente de la célula

VesiclereleaseCa2+

Stereociliadeflection

Nerve terminal

Et = 80‐120mV

gA

V

Rp

EK,fgK,f

CB

Rt

CA

EK,sgK,s

Ca2+

60 mV

K+K+

K+

K+

Lopez‐Poveda y Eustaquio‐Marín (2006). J. Assoc. Res. Otolaryngol.

Erwin Neher

• Landsberg am Lech, Alemania

• 1944‐• Físico• Principios biofísicos y moleculares del flujo de información entre neuronas

• Premio Nobel de Fisiología y Medicina (1991)

Un modelo de la sinápsis

Pérdida

Reabsorción

Reprocesamiento

Producción de vesículas

Liberación

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

GA

Terminal nervioso

Sumner, Lopez‐Poveda, O’Mard, Meddis (2003). J. Acoust. Soc. Am.

Mejorar el rendimiento de los implantes cocleares en entornos ruidosos

Proyecto 4

Causas de la sordera

NORMAL SORDO/A

Figura adaptado de Dorman & Wilson (2005) Am. Scientist

Una posible causa de la sordera es la pérdida total de células ciliadas internas.

Algunas sorderas pueden tratarse con implantes cocleares

Vídeo cortesía de MED‐EL (Austria)

Blake S. Wilson• USA• 1948‐• Ingeniero electrónico• Diseño de estrategias de codificación para implantes cocleares

• Premio Lasker‐DeBakeyde Investigación Médica

• Candidato a Premio Nobel

• Doctor Honoris Causa por la USAL

El implante coclear restaura la audición

Datos de Dorman et al. (2002).J. Speech Lang. Hear. Res. 45:783‐788.Figura de Dorman & Spahr (2006). Cochlear Implants. Ed. Waltzman & Roland. Thieme.

El reconocimiento de frasesmejora gradualmente con el tiempo, tras aprender a oír con el implante.

Pero no restaura una inteligibilidad normal en entornos ruidosos

Loizou et al. (2009)NormoyentesUsuarios BiCI

Máscara: único hablante.

Ruido con espectro del habla.

Posición de la máscara (grados)

Data from Loizou et al. (2009). J. Acoust. Soc. Am. 125:372‐383.

1. Las personas normoyentes toleran más ruido (URV negativos) que las que usan implante coclear bilateral (URV positivos).

2. Las personas normoyentes muestran más desenmascaramiento espacial que las que usan implante coclear bilateral.

Binaural

O.Izq.

Máscara: único hablante.

Ruido con espectro del habla.

Las personas que usan implante coclear tienen más dificultad para comunicarse en entornos ruidosos quizás porque no disponen de control olivococlear

eferente

El implante coclear no restaura el control eferenteLa estimulación eléctrica del implante puentea a las células ciliadas externas y, además, es independiente del funcionamiento de estas células.

Es posible restaurar algunos beneficios del sistema eferente con implantes 

cocleares

Enrique A. Lopez‐PovedaAlmudena Eustaquio‐MartinJosh S. StohlRobert D. WolfordReinhold SchatzerJosé M. GorospeSantiago Santa Cruz RuizFernando BenitoBlake S. Wilson

Modificando el funcionamiento del procesador de sonidos

Imágenes cortesía de MED‐EL GmbH (Austria)

Antena

Procesador de sonidos

Batería

Componentes externos del implante coclear

El abordaje típicoWilson et al. (1991) Nature

Corriente eléctrica

0.001

0.01

0.1

1

0.0 0.0 0.1 1.0

Presión acústica

BPF1 Rect/LPF Mapa No LinealPr

e-en

fási

s

MICMIC

Electrodo 1

BPFN Rect/LPF Mapa No Lineal Electrodo N

AGCAGC

Banco filtros lineal ModulaciónEnvolvente Compresión

La compresión es fija

Corriente eléctrica

Compresión dinámica, variable en el tiempo

0.001

0.01

0.1

1

0.0 0.0 0.1 1.0

La estrategia MOC

Alta amplitud de salida

Baja amplitud de salida

BPF1 Rect/LPF Mapa No LinealPr

e-en

fási

s

MICMIC

Electrodo 1

BPFN Rect/LPF Mapa No Lineal Electrodo N

AGCAGC

Banco filtros lineal ModulaciónEnvolvente Compresión

Entrada

Salid

a

Guinan & Cooper (2006)

Lopez‐Poveda et al. (2016) Ear & Hearing.

Presión acústica

Mapeo dinámico y por bandas de frecuencia

BPFj Rect/LPF Mapa no lineal

BPFk Rect/LPF Mapa no lineal

Oído izq.Canal j

Función de control

Integrador temporal

Integrador temporal

Función de control

Oído der.Canal k

Elec. k

Elec. j

La función de mapeo de cada canal de frecuencia varía dinámicamente en el tiempo en función de la energía de salida del canal contralateral.

Lopez‐Poveda (2015) Patent

Un ejemplo: Habla enmascarado con habla

‘sastre’‘diga’

Las dos palabras están separadas más claramente con la estrategia MOC que con la STD.

Oído izquierdo (‘diga’) Oído derecho (‘sastre’)

SalidaBPF

STD

MOC

Cana

l nº

Tiempo (seg.) Tiempo (seg.)

Lopez‐Poveda et al. (2016) Adv. Exp. Med. Biol.

(0 dB SNR)Amplitud (dB FS)

60

62

64

66

68

70

Ruido tolerable (dB)

La estrategia MOC mantiene la inteligibilidad en ambientes más ruidosos

60

62

64

66

68

70Estánd

ar

USA

L

Habla (dB)

Lopez‐Poveda et al. (2016). Ear & Hearing

63

65

67

69

71

Ruido tolerable (dB)

La estrategia MOC mantiene la inteligibilidad en ambientes más ruidosos

Estánd

ar

USA

L Habla (dB)

63

65

67

69

71

Estánd

ar

USA

L

Demostración acústicaCómo oye una persona con implante coclearEn ambiente silencioso

Demostración acústicaDos personas hablando a la vez

Estándar

USAL

Demostración acústicaUna persona hablando en entorno ruidoso

Estándar

USAL

Beneficiarios

350 milusuarios actuales de implante coclear

25 millonesusuarios potenciales de implante coclear

300 millonesusuarios potenciales de audífonos

En resumen

• Grandes físicos han realizado aportaciones clave sobre el funcionamiento del oído y sobre el tratamiento de los problemas de audición

• La física tiene aplicación en neurociencia auditiva,pero también en otorrinolaringología, y en el desarrollo de tecnologías y sistemas de audio y audición.

• En nuestro laboratorio, buscamos alumnos interesados en participar en experimentos, realizar prácticas de grado, o la tesis doctoral

• Estáis invitados a visitar nuestro laboratorio

Muchas gracias

Contactoealopezpoveda@usal.es

Financiación