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| "Murciélago orejudo de Townsend" por USFWS Headquarters está licenciado con CC BY 2.0. |
Codificación eficiente de la información espectrotemporal para la ecolocalización de los murciélagos
En la mayoría de los animales, los estímulos naturales se caracterizan por un alto grado de redundancia, lo que limita el conjunto de estímulos ecológicamente válidos a un subespacio significativamente reducido del espacio de representación. Las codificaciones neuronales pueden explotar esta redundancia y aumentar la eficiencia de la detección generando representaciones de baja dimensión que retengan toda la información esencial para apoyar el comportamiento. En este estudio, investigamos si se puede encontrar una codificación tan eficiente para apoyar una amplia gama de tareas de ecolocalización en los murciélagos. Partiendo de un conjunto de señales de eco recogidas con un sistema de sonar biomimético en entornos naturales interiores y exteriores, utilizamos el análisis de componentes independientes para derivar una codificación de baja dimensión de la salida de un modelo coclear. Demostramos que esta codificación compresiva conserva toda la información esencial. Para ello, simulamos una serie de experimentos psicoacústicos con murciélagos. En estas simulaciones, entrenamos un conjunto de redes neuronales para que utilicen los ecos codificados como entrada mientras realizan los experimentos. Los resultados muestran que el rendimiento de las redes neuronales es al menos tan bueno como el de los murciélagos. Concluimos que nuestros resultados indican que la codificación eficiente de la información de los ecos es factible y, dadas sus muchas ventajas, es muy probable que sea empleada por los murciélagos. Estudios anteriores han demostrado que las codificaciones de baja dimensión permiten la resolución de tareas a un nivel relativamente alto. A diferencia de los trabajos anteriores en esta área, nosotros demostramos que también se puede conseguir un alto rendimiento cuando los filtros de baja dimensión se derivan de un conjunto de datos de señales de eco realistas, no adaptados a condiciones experimentales específicas.
Las conversaciones de los murciélagos podrían tener poca sustancia, según investigadores de la Universidad de Cincinnati.
Los ecos que reciben los murciélagos son tan simples que un archivo de sonido de sus llamadas puede comprimirse en un 90% sin perder mucha información, según un estudio publicado en la revista PLOS Computational Biology.
El estudio demuestra cómo los murciélagos han evolucionado para confiar en la redundancia en su "lenguaje" de navegación para ayudarles a mantenerse orientados en su complejo mundo tridimensional.
"Si puedes tomar decisiones con poca información, todo se vuelve más sencillo. Eso es bueno porque no se necesita una gran cantidad de maquinaria neuronal compleja para procesar y almacenar esa información", dijo Dieter Vanderelst, coautor del estudio.
Los investigadores de la UC sospechaban que las llamadas de los murciélagos contienen información redundante y que éstos podrían utilizar estrategias de codificación eficientes para extraer la información más relevante de sus ecos. Muchos de los estímulos naturales que encuentran los animales tienen mucha redundancia. Una codificación neuronal eficiente retiene la información esencial y reduce esta redundancia.
Para probar su hipótesis, construyeron su propio "murciélago en un palo", un dispositivo montado en un trípode que emite un pulso de sonido que barre de 30 a 70 kilohercios, una gama de frecuencias utilizada por muchos murciélagos. En comparación, el habla humana suele oscilar entre 125 y 300 hercios (o entre 0,125 y 0,3 kHz).
Se captaron más de 1.000 ecos en distintos entornos interiores y exteriores, como un granero, habitaciones de distintos tamaños, entre arbustos y ramas de árboles y en un jardín.
Los investigadores convirtieron los ecos grabados en un gráfico del sonido, denominado cocleograma. A continuación, sometieron estos gráficos a 25 filtros, es decir, comprimieron los datos. Entrenaron una red neuronal, un sistema informático basado en el cerebro humano, para determinar si los gráficos filtrados seguían conteniendo suficiente información para completar una serie de tareas basadas en el sonar que se sabe que realizan los murciélagos.
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| El profesor adjunto de la UC Dieter Vanderelst imparte un curso de Biología e Ingeniería en la UC que toma señales de la naturaleza para mejorar la navegación autónoma de los robots. Crédito: Andrew Higley/UC Creative + Brand |
Descubrieron que la red neuronal identificaba correctamente la ubicación de los ecos incluso cuando el cocleograma era despojado de hasta el 90% de sus datos.
"Lo que esto nos dice es que puedes comprimir esos datos y seguir haciendo lo que necesitas. También significa que, si eres un murciélago, puedes hacerlo de forma eficiente", dijo Vanderelst, profesor asistente de la Facultad de Artes y Ciencias de la UC y de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas.
Grace Smith-Vidaurre, investigadora postdoctoral de la UC y bióloga evolutiva, ha estudiado el comportamiento de los murciélagos. Aunque no formó parte del estudio de Vanderelst, dijo que los resultados del equipo de investigación sugieren que una mayor complejidad no siempre es la mejor solución.
"La complejidad que produce redundancia puede utilizarse para crear representaciones más simples de los sonidos, lo que puede ser clave para un procesamiento cognitivo eficiente", dijo Smith-Vidaurre. "Codificar más o menos complejidad en las vocalizaciones puede representar un compromiso complicado para animales como los murciélagos, que corren el riesgo de perder información si las vocalizaciones más sencillas se pierden contra el ruido de fondo, pero también si las vocalizaciones son demasiado complejas para que un individuo que las escuche pueda procesarlas rápidamente."
Smith-Vidaurre afirma que los investigadores pueden esperar ver más o menos redundancia en las llamadas de los murciélagos que habitan en entornos sociales o físicos diferentes. Algunas especies viven en grupos de pocos individuos, mientras que otras viven en colonias de un millón de individuos.
"Como humanos, no es muy sencillo observar un sonido producido por un murciélago y determinar si la complejidad estructural que podemos ver es información redundante o única", dijo Smith-Vidaurre. "Cuando estudiamos las vocalizaciones o los ecos producidos por los animales, es realmente importante situar la complejidad de estos sonidos en su contexto preguntando qué percibiría realmente el individuo que los escucha, como han hecho aquí los autores".
Vanderelst afirma que los investigadores a menudo pueden deducir lo que hacen los murciélagos con sólo escuchar sus llamadas.
"Aunque no se vea al murciélago, se puede saber con un alto grado de certeza lo que está haciendo un murciélago", dijo. "Si llama con más frecuencia, está buscando algo. Si las llamadas son espaciadas, está navegando o estudiando algo lejano".
Los murciélagos producen sus llamadas ultrasónicas con una laringe muy parecida a la nuestra. Pero qué laringe. Puede contraerse 200 veces por segundo, lo que la convierte en el músculo más rápido conocido de todos los mamíferos.
El bosque nocturno puede resultar ensordecedor para las personas por su coro de ranas y el zumbido de los insectos. Pero Vanderelst afirma que, en comparación, la frecuencia ultrasónica es bastante silenciosa, lo que permite a los murciélagos escuchar sus propios chirridos que rebotan en las ramas de los árboles y otros obstáculos durante la ecolocalización.
Aunque los murciélagos utilizan diferentes chirridos para navegar que para comunicarse entre sí, Vanderelst dijo que todos son bastante simples. Pero el lenguaje humano también tiene mucha redundancia incorporada, dijo Vanderelst.
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"Si se eliminan muchas letras de una frase, sigue siendo legible", afirma Vanderelst.
Adarsh Chitradurga Achutha, estudiante de Vanderelst, fue el autor principal del estudio. Entre los coautores se encuentran el mentor de Vanderelst, Herbert Peremans, de la Universidad de Amberes (Bélgica), y el experto en murciélagos Uwe Firzlaff, de la Universidad de Múnich (Alemania).
El modo en que los murciélagos perciben el mundo es fascinante tanto desde el punto de vista biológico como del de la ingeniería, afirma Vanderelst.
"Es como un acertijo, ver algo que no debería poder hacer lo que hace. Así que la pregunta es cómo", dijo. "Me ha permitido apreciar la elegante eficacia que subyace en este sistema".
Fuentes, créditos y referencias:
Más información: Adarsh Chitradurga Achutha et al, Efficient encoding of spectrotemporal information for bat echolocation, PLOS Computational Biology (2021). DOI: 10.1371/journal.pcbi.1009052
Traido gracias a PhysOrg