破解鸟儿的肌肉电讯号，也许就能知道它们睡梦中哼了什么 | Chaos 论文推荐

利用鸣管肌肉电信号创造出一首（合成的）斑胸草雀鸣叫曲：研究者通过追踪一块肌肉的电信号，建立起对斑胸草雀发声模式的预测模型，并生成了一首人工合成的鸣唱。

翻译 严冰冰

审校 谭坤

鸟儿利用其发声器官的肌肉运动使通过组织的气流产生振动，从而发声鸣唱。曾有研究报道，每一块不同的肌肉分别负责控制一种特定的声学特征，而最新的一项研究表明，这些肌肉协同作用以达到发声所需的动力学状态。

在 AIP Publishing 出版的 Chaos 期刊上，一支国际团队发表了一篇关于斑胸草雀（zebra finch, Taeniopy giaguttata）如何发声歌唱的研究。鸟类的腹鸣肌（syringealis ventralis, vS）是参与发声的主要肌肉之一，研究者通过记录肌电信号，对这块肌肉的活动情况进行了追踪，接着，根据记录到的电信号数据创造出了一首人工合成的斑胸草雀鸣叫曲。

斑胸草雀

图片来源：https://www.omlet.co.uk/guide/finches_and_canaries/zebra_finch

多种斑胸草雀毛色变异示意图

图片来源：http://pet-cockatiel.com/Dboard/viewtopic.php?t=6974

该研究团队成员、阿根廷布宜诺斯艾利斯大学（University of BuenosAires）在读博士生 Juan Döppler 表示，“这块肌肉的活动给我们提供了门控（gating）的信息，即确定发声的开始和结束的信息。有趣的是，当斑胸草雀在睡觉时，尽管缺少发声必须的气流条件，这块肌肉仍然处于活跃状态，并展示出与鸣叫过程中相似的电信号。”

实验中，研究者分别在5只成年斑胸草雀的腹鸣肌处插入成对的双极电极，以记录电信号。腹鸣肌曾被认为主要负责频率调节，但该团队发现，腹鸣肌也参与发声。

利用肌电信号数据，研究团队以高于70%的正确率成功地识别出发声间隔（phonating intervals）。该团队建立起一套能够预测发声间隔的评判标准，成功地运用在搜集到的5只斑胸草雀的发声数据上。这套评判标准尤其适用于短促、简单的音节，发出这样的音节时腹鸣肌几乎是静止的。当面对更加复杂的音节时，引入其他涉及发声开始与停止的鸣管肌肉（syringeal muscles）的活动会显然地提高门控预测的准确率。

但即使仅仅利用腹鸣肌这一块肌肉，研究者仍可根据电活动记录来重建一只斑胸草雀的鸣唱。当斑胸草雀在睡觉时，其腹鸣肌是部分处于活跃状态的，于是研究者搜集了睡眠期内腹鸣肌的电信号活动，并将这一活动模式翻译成了鸟儿的鸣唱。

Döppler 表示，“那么接下来，我们希望能够利用这一工具识别出鸟儿什么时候会梦到唱歌，并且真正地听一听它们在睡眠中唱着什么歌。”

原文链接

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-07/aiop-ca072518.php

相关论文信息

【论文题目】Gating related activity in asyringeal muscle allows the reconstruction of zebra finches songs

【作者】Juan F. Döppler, Alan Bush, Ana Amador,Franz Goller, and Gabriel B. Mindlin

【期刊】Chaos

【DOI】10.1063/1.5024377

【摘要】

Birdsong production involves thesimultaneous and precise control of a set of muscles that change theconfiguration and dynamics of the vocal organ. Although it has been reportedthat each one of the different muscles is primarily involved in the control ofone acoustic feature, recent advances have shown that they act synergisticallyto achieve the dynamical state necessary for phonation. In this work, we presenta set of criteria that allow the extraction of gating-related information fromthe electromyographic activity of the syringealis ventralis muscle, a musclethat has been shown to be involved in frequency modulation. Using dynamicalmodels of the muscle and syringeal dynamics, we obtain a full reconstruction ofthe zebra finch song using only the activity of this muscle.

Complex behaviors require a precise andcoordinated control of a set of muscles. One example is the production of soundin oscine birds, a biological model that has been used to study several issues,such as neural coding, learning, and motor control. In this work, we show thatit is possible to extract information about the phonation intervals from theactivity of a muscle that has been shown to be involved in frequencymodulation. This allows us to create synthetic songs using only the activity ofthis one muscle. Even more, since it has been recently reported that thismuscle shows spontaneous activation during sleep, the tools presented herewould allow us to traduce this activity into sound, and “listen” to the bird’sdreams.

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