Un físico en neurociencias: Desde la acústica a la audición

Transcripción

1 Seminarios +Física Fac. Ciencias (Físicas), Universidad de Salamanca, 18 Oct Un físico en neurociencias: Desde la acústica a la audición Enrique A. Lopez Poveda University of Salamanca Salamanca, Spain ealopezpoveda@usal.es

2 Un físico en neurociencias? Lic. Física (electrónica), Univ. Salamanca PhD. Loughborough Univ. (UK) Post doc, Univ. Essex (UK) Servicio Militar, Armada Española, Madrid GMV SA, Madrid Fac. Medicina, Univ. Castilla La Mancha Investigador Ramón y Cajal, INCYL. Univ. Salamanca Univ. Minnesota (USA) Fac. Medicina. Univ Salamanca Duke University (USA)

3 Qué es la acústica? La acústica es una rama de la física interdisciplinaria 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

4 Desde la acústica a la audición? Psicoacústica! La psicoacústica es el estudio científico de la percepción del sonido.

5 Laboratorio de Audición Computacional y Psicoacústica Investigación básica Aplicaciones y tecnologías audiológicas Teorías de la audición FÍSICA PSICOLOGÍA INGENIERÍA AUDIOLOGÍA MEDICINA ORL Modelos computacionales

6 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

7 Algunos proyectos de investigación

8 Proyecto 1 Cómo localizamos los sonidos?

9 Lord Rayleigh John W. Strutt Maldon, Essex, UK Físico Descubrió el Argón Premio Nobel de Física (1904)

10 Usamos las diferencias inter auriculares de tiempo de intensidad

11 También percibimos el espectro del sonido Angulo vertical (grados) Azimut 0º V 1 V 2 V 3 Frecuencia (Hz) Angulo horizontal (grados) V 1 Elevación 40º V2 V 3 Frecuencia (Hz) Lopez-Poveda & Meddis (1996). J. Acoust. Soc. Am.

12 Un modelo de difracción y reflexión del sonido en la concha Tímpano Canal auditivo 0 Frente de onda plano Lopez-Poveda & Meddis (1996). J. Acoust. Soc. Am.

13 La función de transferencia acústica de la concha Lopez-Poveda & Meddis (1996). J. Acoust. Soc. Am.

14 Aplicaciones En robótica Robots guiados por sonido En realidad virtual En generación de sonido 3D Sonido envolvente ( surround sound )

15 Proyecto 2 Simulación de la respuesta mecánica no lineal de la cóclea

16 Georg von Békesy Budapest Físico Descubrió la organización tonotópica de la cóclea Premio Nobel de Fisiología y Medicina (1961)

17 El oído Oreja Concha Tímpano Estribo Cóclea Nervio auditivo Oído externo Oído medio Oído interno 17

18 La cóclea

19 Cocleotopía Cóclea Nervio auditivo Sonidos graves Tímpano Apex Base Sonidos agudos Membrana basilar Frecuencia característica Figura adaptada de Lopez Poveda y Meddis (2005) Mente y Cerebro 19

20 La sintonización no es lineal William S. Rhode (1971). J. Acoust. Soc. Am. Depende del nivel sonoro de estimulación acústica Ruggero et al. (1997). J. Acoust. Soc. Am.

21 Un modelo computacional de la respuesta de la membrana basilar Lopez Poveda y Meddis (2001) J. Acoust. Soc. Am.

22 El modelo reproduce los datos experimentales Meddis, O Mard y Lopez Poveda (2001) J. Acoust. Soc. Am. López Nájera, Lopez Poveda, y Meddis (2007) J. Acoust. Soc. Am.

23 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)

24 Proyecto 3 Simulación de la transducción acústiconeuronal

25 Alan L. Hodgkin Banbury, Reino Unido Biofísico Descubrió y modeló las bases del potencial de acción de los nervios Premio Nobel de Fisiología y Medicina (1963)

26 Andrew Huxley Londres, Reino Unido Biofísico Descubrió y modeló las bases del potencial de acción de los nervios Premio Nobel de Fisiología y Medicina (1963)

27 El oído interno

28 Transducción acústico eléctrica en la célula ciliada interna Stereocilia deflection K + K + g A 60 mv K + Ca 2+ K + Vesicle release Ca 2+ Nerve terminal

29 Circuito eléctrico equivalente de la célula Stereocilia deflection K + K + E t = mV C A g A R t V g K,f C B E K,f 60 mv g K,s E K,s K + Ca 2+ K + Vesicle release R p Ca 2+ Lopez Poveda y Eustaquio Marín (2006). J. Assoc. Res. Otolaryngol. Nerve terminal

30 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)

31 Un modelo de la sinápsis G A Ca 2+ Producción de vesículas Reprocesamiento Ca 2+ Ca 2+ Liberación Reabsorción Ca 2+ Pérdida Terminal nervioso Sumner, Lopez Poveda, O Mard, Meddis (2003). J. Acoust. Soc. Am.

32 Proyecto 4 Mejorar el rendimiento de los implantes cocleares en entornos ruidosos

33 Causas de la sordera Una posible causa de la sordera es la pérdida total de células ciliadas internas. NORMAL SORDO/A Figura adaptado de Dorman & Wilson (2005) Am. Scientist

34 Algunas sorderas pueden tratarse con implantes cocleares Vídeo cortesía de MED EL (Austria)

35 Blake S. Wilson USA 1948 Ingeniero electrónico Diseño de estrategias de codificación para implantes cocleares Premio Lasker DeBakey de Investigación Médica Candidato a Premio Nobel Doctor Honoris Causa por la USAL

36 El implante coclear restaura la audición El reconocimiento de frases mejora gradualmente con el tiempo, tras aprender a oír con el implante. Datos de Dorman et al. (2002).J. Speech Lang. Hear. Res. 45: Figura de Dorman & Spahr (2006). Cochlear Implants. Ed. Waltzman & Roland. Thieme.

37 Pero no restaura una inteligibilidad normal en entornos ruidosos Usuarios BiCI Loizou et al. (2009) Máscara: único hablante. Ruido con espectro del habla. Normoyentes Máscara: único hablante. O.Izq. Binaural Ruido con espectro del habla. 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. Posición de la máscara (grados) Data from Loizou et al. (2009). J. Acoust. Soc. Am. 125:

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

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

40 Es posible restaurar algunos beneficios del sistema eferente con implantes cocleares Enrique A. Lopez Poveda Almudena Eustaquio Martin Josh S. Stohl Robert D. Wolford Reinhold Schatzer José M. Gorospe Santiago Santa Cruz Ruiz Fernando Benito Blake S. Wilson

41

42 Modificando el funcionamiento del procesador de sonidos Antena Componentes externos del implante coclear Procesador de sonidos Batería Imágenes cortesía de MED EL GmbH (Austria)

43 El abordaje típico Wilson et al. (1991) Nature Banco filtros lineal Envolvente Compresión Modulación BPF 1 Rect/LPF Mapa No Lineal Electrodo 1 MIC Pre-enfásis AGC BPF N Rect/LPF Mapa No Lineal Electrodo N Corriente eléctrica La compresión es fija Presión acústica

44 La estrategia MOC Lopez Poveda et al. (2016) Ear & Hearing. Banco filtros lineal Envolvente Compresión Modulación BPF 1 Rect/LPF Mapa No Lineal Electrodo 1 MIC Pre-enfásis AGC BPF N Rect/LPF Mapa No Lineal Electrodo N Salida Guinan & Cooper (2006) Entrada Corriente eléctrica Baja amplitud de salida Alta amplitud de salida Presión acústica Compresión dinámica, variable en el tiempo

45 Mapeo dinámico y por bandas de frecuencia La función de mapeo de cada canal de frecuencia varía dinámicamente en el tiempo en función de la energía de salida del canal contralateral. Oído izq. Canal j BPF j Rect/LPF Mapa no lineal Elec. j Oído der. Canal k Integrador temporal Función de control BPF k Rect/LPF Mapa no lineal Función de control Integrador temporal Elec. k Lopez Poveda (2015) Patent

46 Un ejemplo: Habla enmascarado con habla diga sastre (0 db SNR) Oído izquierdo ( diga ) Oído derecho ( sastre ) Amplitud (db FS) Salida BPF Canal nº STD MOC Tiempo (seg.) Tiempo (seg.) Las dos palabras están separadas más claramente con la estrategia MOC que con la STD. Lopez Poveda et al. (2016) Adv. Exp. Med. Biol.

47 La estrategia MOC mantiene la inteligibilidad en ambientes más ruidosos Lopez Poveda et al. (2016). Ear & Hearing Ruido tolerable (db) Estándar USAL Habla (db)

48 La estrategia MOC mantiene la inteligibilidad en ambientes más ruidosos Ruido tolerable (db) Estándar USAL Estándar USAL Habla (db)

49 Demostración acústica Cómo oye una persona con implante coclear En ambiente silencioso

50 Demostración acústica Dos personas hablando a la vez Estándar USAL

51 Demostración acústica Una persona hablando en entorno ruidoso Estándar USAL

52 Beneficiarios 350 mil usuarios actuales de implante coclear 25 millones usuarios potenciales de implante coclear 300 millones usuarios potenciales de audífonos

53 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

54 Muchas gracias Financiación Contacto