Un físico en neurociencias:Desde la acústica a la audición
Enrique A. Lopez‐PovedaUniversity of Salamanca
Salamanca, Spain
[email protected]://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
Lord Rayleigh ‐ John W. Strutt
• Maldon, Essex, UK• 1842‐1919• Físico• Descubrió el Argón• Premio Nobel de Física (1904)
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.
Aplicaciones
• En robótica• Robots guiados por sonido
• En realidad virtual• En generación de sonido 3D• Sonido envolvente (‘surround sound’)
Georg von Békesy
• Budapest. 1899‐1972• Físico• Descubrió la organización tonotópicade la cóclea
• Premio Nobel de Fisiología y Medicina (1961)
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)
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)
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.
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.
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
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