Seminarios +Física Fac. Ciencias (Físicas), Universidad de Salamanca, 18 Oct. 2017 Un físico en neurociencias: Desde la acústica a la audición Enrique A. Lopez Poveda University of Salamanca Salamanca, Spain ealopezpoveda@usal.es http://audiolab.usal.es
Un físico en neurociencias? 1993. Lic. Física (electrónica), Univ. Salamanca 1996. PhD. Loughborough Univ. (UK) 1996. Post doc, Univ. Essex (UK) 1998. Servicio Militar, Armada Española, Madrid. 1998. GMV SA, Madrid 1998. Fac. Medicina, Univ. Castilla La Mancha 2003. Investigador Ramón y Cajal, INCYL. Univ. Salamanca 2010. Univ. Minnesota (USA) 2014. Fac. Medicina. Univ Salamanca 2014. Duke University (USA)
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
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 Aplicaciones y tecnologías audiológicas Teorías de la audición FÍSICA PSICOLOGÍA INGENIERÍA AUDIOLOGÍA MEDICINA ORL Modelos computacionales
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
Proyecto 1 Cómo localizamos los sonidos?
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 0-40 90 Angulo vertical (grados) Azimut 0º V 1 V 2 V 3 Frecuencia (Hz) 360 270 Angulo horizontal (grados) V 1 Elevación 40º V2 V 3 Frecuencia (Hz) Lopez-Poveda & Meddis (1996). J. Acoust. Soc. Am.
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.
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 )
Proyecto 2 Simulación de la respuesta mecánica no lineal de la cóclea
Georg von Békesy Budapest. 1899 1972 Físico Descubrió la organización tonotópica de la cóclea Premio Nobel de Fisiología y Medicina (1961)
El oído Oreja Concha Tímpano Estribo Cóclea Nervio auditivo Oído externo Oído medio Oído interno 17
La cóclea
Cocleotopía Cóclea Nervio auditivo Sonidos graves Tímpano Apex Base 20000 1500 400 2000 Sonidos agudos 200 600 3000 Membrana basilar 7000 1000 5000 800 4000 Frecuencia característica Figura adaptada de Lopez Poveda y Meddis (2005) Mente y Cerebro 19
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.
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 Meddis, O Mard y Lopez Poveda (2001) J. Acoust. Soc. Am. López Nájera, Lopez Poveda, y Meddis (2007) 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)
Proyecto 3 Simulación de la transducción acústiconeuronal
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 eléctrica en la célula ciliada interna Stereocilia deflection K + K + g A 60 mv K + Ca 2+ K + Vesicle release Ca 2+ Nerve terminal
Circuito eléctrico equivalente de la célula Stereocilia deflection K + K + E t = 80 120mV 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
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 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.
Proyecto 4 Mejorar el rendimiento de los implantes cocleares en entornos ruidosos
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
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 DeBakey de Investigación Médica Candidato a Premio Nobel Doctor Honoris Causa por la USAL
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. 45:783 788. Figura de Dorman & Spahr (2006). Cochlear Implants. Ed. Waltzman & Roland. Thieme.
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. 125:372 383.
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 eferente La 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 Poveda Almudena Eustaquio Martin Josh S. Stohl Robert D. Wolford Reinhold Schatzer José M. Gorospe Santiago Santa Cruz Ruiz Fernando Benito Blake S. Wilson
Modificando el funcionamiento del procesador de sonidos Antena Componentes externos del implante coclear Procesador de sonidos Batería Imágenes cortesía de MED EL GmbH (Austria)
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 1 0.1 0.01 0.001 La compresión es fija 0.0 0.0 0.1 1.0 Presión acústica
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 1 0.1 0.01 Baja amplitud de salida Alta amplitud de salida 0.001 0.0 0.0 0.1 1.0 Presión acústica Compresión dinámica, variable en el tiempo
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
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.
La estrategia MOC mantiene la inteligibilidad en ambientes más ruidosos Lopez Poveda et al. (2016). Ear & Hearing 70 70 Ruido tolerable (db) 68 66 64 62 60 Estándar USAL 68 66 64 62 60 Habla (db)
La estrategia MOC mantiene la inteligibilidad en ambientes más ruidosos 71 71 Ruido tolerable (db) 69 67 65 63 Estándar USAL 69 67 65 63 Estándar USAL Habla (db)
Demostración acústica Cómo oye una persona con implante coclear En ambiente silencioso
Demostración acústica Dos personas hablando a la vez Estándar USAL
Demostración acústica Una persona hablando en entorno ruidoso Estándar USAL
Beneficiarios 350 mil usuarios actuales de implante coclear 25 millones usuarios potenciales de implante coclear 300 millones usuarios 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 Financiación Contacto ealopezpoveda@usal.es