Registro:
| Documento: | Tesis Doctoral |
| Disciplina: | fisica |
| Título: | Biomecánica y circuitos neuronales de control motor en el canto de aves oscinas |
| Título alternativo: | Biomechanics and neural circuits of motor control in birdsong |
| Autor: | Boari, Santiago |
| Editor: | Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales |
| Publicación en la Web: | 2022-03-29 |
| Fecha de defensa: | 2019-03-28 |
| Fecha en portada: | 2019 |
| Grado Obtenido: | Doctorado |
| Título Obtenido: | Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas |
| Director: | Amador, Ana |
| Consejero: | Mindlin, Gabriel Bernardo |
| Jurado: | Morelli, Luis; Szczupak, Lidia; Montani, Fernando F. |
| Idioma: | Español |
| Formato: | PDF |
| Handle: |
http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6653_Boari |
| PDF: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n6653_Boari.pdf |
| Registro: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n6653_Boari |
| Ubicación: | Dep.FIS 006653 |
| Derechos de Acceso: | Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Boari, Santiago. (2019). Biomecánica y circuitos neuronales de control motor en el canto de aves oscinas. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6653_Boari |
Resumen:
Las aves canoras son un modelo animal por excelencia para el estudio del aprendizaje y la producción vocal. Estas aves aprenden sus vocalizaciones a partir de la imitación de un tutor y poseen estructuras en el cerebro - denominadas núcleos neuronales - que presentan funciones relacionadas con el aprendizaje, producción, mantenimiento y percepción del canto propio (el “sistema neuronal del canto”). El núcleo neuronal cortical HVC presenta un rol sensorimotor, integrando la vía motora del canto y recibiendo información auditiva altamente procesada. Más aún, se ha mostrado previamente que la respuesta de las neuronas de HVC a la presentación de la grabación del canto propio del ave presenta un patrón de actividad similar que el registrado durante la producción del canto. En esta tesis se presentan experimentos de electrofisiología en los cuales se estudió la respuesta auditiva en el núcleo neuronal HVC, buscando comprender características de la codificación neuronal del canto. Los experimentos realizados en diamantes mandarines (Taeniopygia guttata) estudiaron la intensidad relativa de la respuesta frente a cantos sintéticos en comparación con la respuesta generada por presentaciones del canto propio. En estos experimentos se estudió, en primer lugar, la respuesta ante cantos sintetizados con un modelo de baja dimensión para la biomecánica del órgano fonador. En segundo lugar, se estudió la respuesta de las neuronas ante modificaciones del canto natural, dadas por la inversión temporal de la envolvente de las sílabas del canto. En ambos casos, las respuestas en el núcleo telencefálico HVC resultaron ser una buena herramienta para estudiar la codificación neuronal de estímulos auditivos complejos. La segunda parte de esta tesis está enfocada en un un debate actual sobre la codificación neuronal del canto en aves oscinas. Por un lado, estudios previos han propuesto que el núcleo neuronal HVC presenta actividad continua durante el canto, generando así la “cadena del tiempo” del programa motor. Sin embargo, por otro lado existen evidencias experimentales recientes que han desafiado esta visión, atribuyendo a HVC la codificación de instancias significativas durante el canto. Este debate generó una nueva conceptualización sobre el funcionamiento del sistema neuronal del canto en canarios (Serinus canaria), a partir del modelado de la arquitectura de circuitos neuronales involucrados y sus respectivas dinámicas en la generación de los patrones motores necesarios para la producción del canto. Este marco teórico (modelo de gestos) realiza predicciones precisas y refutables respecto de la actividad del núcleo HVC durante la producción de los distintos tipos de sílabas en el repertorio del canario. En esta tesis, se realizaron experimentos electrofisiológicos in vivo para poner a prueba las hipótesis elaboradas con el modelo teórico. A diferencia de los experimentos en diamantes mandarines, se buscó un observable que representase la actividad neuronal a gran escala. En particular, se estudió el potencial de campo local (o LFP) y se estableció su relación con la actividad - individual y colectiva - de las neuronas del núcleo telencefálico HVC. Los registros mostraron que la actividad neuronal en el núcleo está correlacionada espacialmente y que las respuestas auditivas al canto propio presentan patrones de excitación marcada en instancias específicas del canto, apoyando las hipótesis propuesta por el modelo de gestos. En particular, se encontraron oscilaciones en la actividad neuronal, con una respuesta sincronizada en frecuencia y fase durante distintos segmentos de los cantos presentados. Notablemente, la frecuencia de las oscilaciones i del LFP coincide con la tasa silábica del canto. Las instancias encontradas en los LFP coinciden con lo observado en los perfiles de actividad conjunta de múltiples neuronas, así como en la actividad de neuronas individuales. Estos fenómenos conforman evidencia de la codificación neuronal de instancias significativas del canto en HVC, y permiten evaluar las predicciones del modelo de arquitectura de los circuitos neuronales, en particular para un tipo de sílabas en el repertorio del canto de canarios. Por todos estos motivos, estos hallazgos presentan una nueva perspectiva en el estudio de la codificación neuronal, del procesamiento auditivo del canto y su relación con la producción vocal en aves canoras.
Abstract:
Songbirds are an animal model of choice for the study of vocal production and learning. These birds, which learn their vocalizations by imitation of a tutor have brain structures - called neuronal nuclei - functionally related to the learning, production, maintenance and perception of their own song (the “song system”). Cortical neuronal nucleus HVC has a sensorimotor role, integrating the song motor pathway and receiving highly processed auditory information. Moreover, it has previously been shown that the auditory response of HVC neurons to a recording of the bird’s own song has a pattern of activity similar to that recorded during song production. This thesis presents electrophysiology experiments in which auditory responses were studied at neural nucleus HVC, seeking to understand features of the neural coding of song. Experiments on zebra finches (Taeniopygia guttata) studied the relative response strength to synthetic songs compared to the response elicited by the bird’s own song. In these experiments, the response to songs synthesized using a low-dimensional model for the biomechanics of the vocal organ was studied. Secondly, the study focused on the neural response to changes in the natural song, given by the temporal inversion of the envelope of song syllables. In both cases, responses in the telencephalic nucleus HVC proved to be a powerful tool to study the neural coding of complex auditory stimuli. The second part of this thesis is focused on a current debate on the neural coding of birdsong. On the one hand, previous studies have proposed that nucleus HVC presents continuous activity during singing, thus generating the “time frame” for the motor program. On the other hand, recent experimental evidence has challenged this vision, attributing HVC with the coding of significant song instances. This debate triggered a new conceptualization for the functioning of the song system in canaries (Serinus canaria), given by a neural architecture model of the circuits of neural nuclei involved and their respective dynamics in the production of song. This theoretical framework (gestures model) makes precise and testable predictions regarding the activity of HVC during the production of the different syllable types found in the canary repertoire. In this thesis, in vivo electrophysiology recordings were conducted to test the hypotheses given by the theoretical framework. Unlike experiments in zebra finches, an observable to study large-scale neuronal activity was sought. Therefore, the local field potential (or LFP) was studied, as well as its relationship with the activity of the neurons - both individually and globally - in telencephalic nucleus HVC. The recordings showed that neural activity is spatially correlated and that the auditory responses to the bird’s own song present patterns of excitation during specific instances of the song, thus providing support for the hypotheses given by the gestures model. In particular, oscillations of the neural activity were described, with frequency- and phase- locking responses during different segments of the songs. Remarkably, LFP oscillation frequency corresponds to the syllabic rate of song. Instances found in the LFPs coincide with features of the multiunit activity profile and also with the activity of individual neurons. These phenomena constitute evidence of the neural coding of significant instances of song in HVC, and allow to evaluate the predictions of the neural architecture model, in particular for a specific type of syllables in the canary song repertoire. For all of the above, these findings present a iii new perspective in the study of the neural coding and of auditory song processing and its relationship with vocal production in songbirds.
Citación:
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Boari, Santiago. (2019). Biomecánica y circuitos neuronales de control motor en el canto de aves oscinas. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6653_Boari
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Boari, Santiago. "Biomecánica y circuitos neuronales de control motor en el canto de aves oscinas". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2019.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6653_Boari
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