Los investigadores de la UC San Francisco han identificado neuronas en el cerebro humano que responden a los cambios de tono en el lenguaje hablado, que son esenciales para transmitir claramente tanto el significado como la emoción.
El estudio fue publicado en línea el 24 de agosto de 2017 en ciencia por el laboratorio de Edward Chang, MD, profesor de cirugía neurológica en el Instituto de Neurociencias Weill de la UCSF, y dirigido por Claire Tang, una estudiante graduada de cuarto año en el laboratorio de Chang.
"Una de las misiones del laboratorio es comprender cómo el cerebro convierte los sonidos en significado", dijo Tang. "Lo que estamos viendo aquí es que hay neuronas en la neocorteza del cerebro que procesan no solo las palabras que se dicen,pero cómo se dicen esas palabras "
Los cambios en el tono vocal durante el habla, parte de lo que los lingüistas llaman prosodia del habla, son una parte fundamental de la comunicación humana, casi tan fundamental como la melodía de la música. En idiomas tonales como el chino mandarín, los cambios de tono pueden alterar por completo el significadode una palabra, pero incluso en un idioma no tonal como el inglés, las diferencias en el tono pueden cambiar significativamente el significado de una oración hablada.
Por ejemplo, "Sarah juega fútbol", en el que "Sarah" se habla con un tono descendente, puede ser usado por un orador para comunicar que Sarah, en lugar de otra persona, juega fútbol; en contraste, "Sarah juega fútbol"."indica que Sarah juega fútbol, en lugar de otro juego. Y agregar un tono ascendente al final de una oración " ¿Sarah juega fútbol? " indica que la oración es una pregunta.
La capacidad del cerebro para interpretar estos cambios en el tono sobre la marcha es particularmente notable, dado que cada hablante también tiene su propio tono y estilo vocal típico es decir, algunas personas tienen voces bajas, otras tienen voces altas y otras parecen tenerterminar incluso las declaraciones como si fueran preguntas. Además, el cerebro debe rastrear e interpretar estos cambios de tono mientras analiza simultáneamente qué consonantes y vocales se pronuncian, qué palabras forman y cómo esas palabras se combinan en frases y oraciones.con todo esto sucediendo en una escala de milisegundos.
Estudios previos tanto en humanos como en primates no humanos han identificado áreas de las cortezas frontal y temporal del cerebro que son sensibles al tono vocal y la entonación, pero ninguno ha respondido a la pregunta de cómo las neuronas en estas regiones detectan y representan cambios en el tono parainformar la interpretación del cerebro del significado de un hablante.
Distintos grupos de neuronas en la corteza temporal del cerebro distinguen el altavoz, la fonética y la entonación
Chang, un neurocirujano del Centro de Epilepsia de la UCSF, se especializa en cirugías para eliminar el tejido cerebral que causa convulsiones en pacientes con epilepsia. En algunos casos, para prepararse para estas operaciones, coloca matrices de alta densidad de electrodos diminutos en la superficie deel cerebro de los pacientes, tanto para ayudar a identificar la ubicación que desencadena las convulsiones de los pacientes como para mapear otras áreas importantes, como las relacionadas con el lenguaje, para asegurarse de que la cirugía evite dañarlas.
En el nuevo estudio, Tang pidió a 10 voluntarios que esperaban cirugía con estos electrodos en su lugar que escucharan grabaciones de cuatro oraciones pronunciadas por tres voces sintetizadas diferentes :
"Las películas exigen una energía mínima"
"Los renos son un animal visual"
"Los abogados dan una opinión relevante"
Las oraciones fueron diseñadas para tener la misma longitud y construcción, y podrían reproducirse con cuatro entonaciones diferentes: neutral, enfatizando la primera palabra, enfatizando la tercera palabra, o como una pregunta. Puedes ver cómo estos cambios de entonación alteran el significadode la oración: "Los humanos [a diferencia de los klingon] valoran el comportamiento genuino", "Los humanos valoran el comportamiento genuino [no insincero]" y "Los humanos valoran el comportamiento genuino" [¿Realmente?]
Tang y sus colegas monitorearon la actividad eléctrica de las neuronas en una parte de las cortezas auditivas de los voluntarios llamada giro temporal superior STG, por sus siglas en inglés, que investigaciones anteriores habían demostrado que podrían desempeñar algún papel en el procesamiento de la prosodia del habla.
Descubrieron que algunas neuronas en el STG podían distinguir entre los tres altavoces sintetizados, principalmente en función de las diferencias en su rango de tono vocal promedio. Otras neuronas podían distinguir entre las cuatro oraciones, sin importar qué hablante las dijera, en función de las diferentestipos de sonidos o fonemas que componen las oraciones "reno" suena diferente de "abogados" sin importar quién esté hablando. Y otro grupo de neuronas podría distinguir entre los cuatro patrones de entonación diferentes. Estas neuronas cambiaron su actividad dependiendo dedonde el énfasis cayó en la oración, pero no me importó qué oración era o quién la decía.
Para probarse a sí mismos que habían descifrado el sistema cerebral para extraer información de entonación de las oraciones, el equipo diseñó un algoritmo para predecir cómo debería cambiar la respuesta de las neuronas a cualquier oración en función del hablante, la fonética y la entonación y luego utilizó este modelo parapredicen cómo las neuronas de los voluntarios responderían a cientos de oraciones grabadas por diferentes hablantes. Mostraron que mientras las neuronas que responden a los diferentes altavoces se enfocan en el tono absoluto de la voz del hablante, las que responden a la entonación se centran más en el tono relativo:cómo cambió el tono de la voz del hablante de un momento a otro durante la grabación.
"Para mí, este fue uno de los aspectos más interesantes de nuestro estudio", dijo Tang. "Pudimos mostrar no solo dónde está codificada la prosodia en el cerebro, sino también cómo, al explicar la actividad en términos de cambios específicosen tono vocal "
Dice Tang. Estos hallazgos revelan cómo el cerebro comienza a separar el complejo flujo de sonidos que componen el habla e identifica señales importantes sobre el significado de lo que estamos escuchando. Quién está hablando, qué están diciendo yimportante, ¿cómo lo dicen?
"Ahora, una pregunta importante sin respuesta es cómo el cerebro controla nuestros tractos vocales para emitir estos sonidos de entonación", dijo Chang, autor principal del artículo. "Esperamos poder resolver este misterio pronto".
Los voluntarios del centro de epilepsia de UCSF permiten una mirada más profunda al funcionamiento del cerebro humano
Todos los pacientes que participaron en el estudio estaban en UCSF sometidos a cirugía por epilepsia severa e intratable. La cirugía cerebral es una forma poderosa de detener la epilepsia en sus pistas, potencialmente deteniendo completamente las convulsiones durante la noche, y su éxito está directamente relacionado con la precisión con la cualun equipo médico puede mapear el cerebro, identificando las piezas exactas de tejido responsables de las convulsiones de un individuo y eliminándolas.
El UCSF Comprehensive Epilepsy Center es líder en el uso de monitoreo intracraneal avanzado para mapear regiones cerebrales esquivas que causan convulsiones. El mapeo se realiza colocando quirúrgicamente una matriz de electrodos flexibles debajo del cráneo en la superficie externa del cerebro o la corteza y registrandola actividad del cerebro para identificar las partes del cerebro responsables de desencadenar las convulsiones. En una segunda cirugía, unas semanas después, se extraen los electrodos y se elimina el tejido cerebral no saludable que causa las convulsiones.
Esta configuración también permite una rara oportunidad de hacer preguntas básicas sobre cómo funciona el cerebro humano, como cómo controla el habla. La base neurológica del control motor del habla ha permanecido desconocida hasta ahora porque los científicos no pueden estudiar los mecanismos del habla en animales y porque no-los métodos de imagen invasivos carecen de la capacidad de rastrear el curso de tiempo muy rápido de las señales cerebrales que impulsan los músculos que crean el habla, que cambian en centésimas de segundo.
Pero el mapeo cerebral prequirúrgico puede registrar la actividad neuronal directamente y puede detectar cambios en la actividad eléctrica del orden de unos pocos milisegundos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Francisco . Original escrito por Nicholas Weiler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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