Une équipe de chercheurs de l’Université de Californie à San Diego, de l’Universidad Nacional de La Plata et du Kavli Institute for Brain and Mind a démontré un synthétiseur vocal pour le chant des oiseaux, réalisé en cartographiant l’activité cérébrale enregistrée à partir de réseaux d’électrodes implantés dans le tissu cérébral des oiseaux. L’équipe a pu reproduire les vocalisations complexes des diamants mandarins (Taeniopygia guttata) jusqu’à la hauteur, le volume et le timbre de l’original. Les résultats, publiés le 16 juin 2021 dans la revue Biologie actuelle, fournissent une preuve de concept selon laquelle des comportements naturels complexes et de grande dimension peuvent être directement synthétisés à partir de l’activité neuronale en cours ; cela peut inspirer des approches similaires aux prothèses chez l’homme et d’autres espèces en exploitant la connaissance des systèmes périphériques et la structure temporelle de leur production.
Arnéodo et al. démontrer les possibilités d’une future prothèse vocale pour l’homme. Crédit image : Arneodo et al., doi : 10.1016/j.cub.2021.05.035.
« L’état de l’art actuel en matière de prothèses de communication est constitué de dispositifs implantables qui vous permettent de générer une sortie textuelle, en écrivant jusqu’à 20 mots par minute », a déclaré le professeur Timothy Gentner de l’Université de Californie à San Diego.
« Imaginez maintenant une prothèse vocale qui vous permet de communiquer naturellement avec la parole, en disant à haute voix ce que vous pensez presque comme vous le pensez. C’est notre objectif ultime, et c’est la prochaine frontière en matière de récupération fonctionnelle. »
“Dans l’esprit de beaucoup de gens, passer d’un modèle d’oiseau chanteur à un système qui finira par entrer dans l’homme est un assez grand saut évolutif”, a ajouté Vikash Gilja, professeur à l’Université de Californie à San Diego.
“Mais c’est un modèle qui nous donne un comportement complexe auquel nous n’avons pas accès dans les modèles de primates typiques qui sont couramment utilisés pour la recherche sur les prothèses neurales.”
Les chercheurs ont implanté des électrodes de silicium dans des diamants mandarins adultes mâles et ont surveillé l’activité neuronale des oiseaux pendant qu’ils chantaient.
Plus précisément, ils ont enregistré l’activité électrique de plusieurs populations de neurones dans la partie sensorimotrice du cerveau qui contrôle finalement les muscles responsables du chant.
Les scientifiques ont introduit les enregistrements neuronaux dans des algorithmes d’apprentissage automatique.
L’idée était que ces algorithmes seraient capables de faire des copies générées par ordinateur de chansons réelles de diamants mandarins en se basant uniquement sur l’activité neuronale des oiseaux.
Mais traduire des modèles d’activité neuronale en modèles de sons n’est pas une tâche facile.
“Il y a tout simplement trop de modèles neuronaux et trop de modèles sonores pour trouver une seule solution permettant de mapper directement un signal sur l’autre”, a déclaré le professeur Gentner.
Pour accomplir cet exploit, l’équipe a utilisé des représentations simples des modèles de vocalisation des oiseaux.
Ce sont essentiellement des équations mathématiques modélisant les changements physiques – c’est-à-dire les changements de pression et de tension – qui se produisent dans l’organe vocal des pinsons, appelé syrinx, lorsqu’ils chantent.
Les auteurs ont ensuite entraîné leurs algorithmes à mapper l’activité neuronale directement sur ces représentations.
Cette approche est plus efficace que d’avoir à mapper l’activité neuronale sur les chansons elles-mêmes.
« Si vous devez modéliser chaque petite nuance, chaque petit détail du son sous-jacent, alors le problème de mappage devient beaucoup plus difficile », a déclaré le professeur Gilja.
“En ayant cette représentation simple du comportement vocal complexe des oiseaux chanteurs, notre système peut apprendre des mappages plus robustes et plus généralisables à un plus large éventail de conditions et de comportements.”
La prochaine étape de l’équipe est de démontrer que leur système peut reconstruire le chant des oiseaux à partir de l’activité neuronale en temps réel.
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Ezequiel M. Arneodo et al. Synthèse neuronale de vocalisations apprises et complexes. Biologie actuelle, publié en ligne le 16 juin 2021 ; doi: 10.1016/j.cub.2021.05.035
