破解鳥兒的肌肉電訊號，也許就能知道它們睡夢中哼了什麼

利用鳴管肌肉電信號創造出一首（合成的）斑胸草雀鳴叫曲：研究者通過追蹤一塊肌肉的電信號，建立起對斑胸草雀發聲模式的預測模型，並生成了一首人工合成的鳴唱。

翻譯 嚴冰冰

審校 譚坤

鳥兒利用其發聲器官的肌肉運動使通過組織的氣流產生振動，從而發聲鳴唱。曾有研究報道，每一塊不同的肌肉分別負責控制一種特定的聲學特徵，而最新的一項研究表明，這些肌肉協同作用以達到發聲所需的動力學狀態。

在 AIP Publishing 出版的Chaos期刊上，一支國際團隊發表了一篇關於斑胸草雀（zebra finch,Taeniopy giaguttata）如何發聲歌唱的研究。鳥類的腹鳴肌（syringealis ventralis, vS）是參與發聲的主要肌肉之一，研究者通過記錄肌電信號，對這塊肌肉的活動情況進行了追蹤，接著，根據記錄到的電信號數據創造出了一首人工合成的斑胸草雀鳴叫曲。

斑胸草雀

多種斑胸草雀毛色變異示意圖

該研究團隊成員、阿根廷布宜諾斯艾利斯大學（University of BuenosAires）在讀博士生 Juan D?ppler 表示，「這塊肌肉的活動給我們提供了門控（gating）的信息，即確定發聲的開始和結束的信息。有趣的是，當斑胸草雀在睡覺時，儘管缺少發聲必須的氣流條件，這塊肌肉仍然處於活躍狀態，並展示出與鳴叫過程中相似的電信號。」

實驗中，研究者分別在5隻成年斑胸草雀的腹鳴肌處插入成對的雙極電極，以記錄電信號。腹鳴肌曾被認為主要負責頻率調節，但該團隊發現，腹鳴肌也參與發聲。

利用肌電信號數據，研究團隊以高於70%的正確率成功地識別出發聲間隔（phonating intervals）。該團隊建立起一套能夠預測發聲間隔的評判標準，成功地運用在搜集到的5隻斑胸草雀的發聲數據上。這套評判標準尤其適用於短促、簡單的音節，發出這樣的音節時腹鳴肌幾乎是靜止的。當面對更加複雜的音節時，引入其他涉及發聲開始與停止的鳴管肌肉（syringeal muscles）的活動會顯然地提高門控預測的準確率。

但即使僅僅利用腹鳴肌這一塊肌肉，研究者仍可根據電活動記錄來重建一隻斑胸草雀的鳴唱。當斑胸草雀在睡覺時，其腹鳴肌是部分處於活躍狀態的，於是研究者搜集了睡眠期內腹鳴肌的電信號活動，並將這一活動模式翻譯成了鳥兒的鳴唱。

D?ppler 表示，「那麼接下來，我們希望能夠利用這一工具識別出鳥兒什麼時候會夢到唱歌，並且真正地聽一聽它們在睡眠中唱著什麼歌。」

相關論文信息

【論文題目】Gating related activity in asyringeal muscle allows the reconstruction of zebra finches songs

【作者】Juan F. D?ppler, 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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