EN / DA
Krop og sind

Computermodel kaster nyt lys over fuglenes sang

Forskere har udviklet en computermodel, der ud fra målinger af strubehovedets dimensioner og stemmefoldernes fysiske egenskaber kan udregne, hvordan en fugl lyder, når den synger. Forhåbentlig kan modellen også på sigt fortælle kirurger, hvordan et menneske vil lyde efter en operation for kræft i strubehovedet.

I mange år har lektor Coen Elemans fra Biologisk Institut ved Syddansk Universitet forsøgt at udvikle en computermodel, som præcist kan udregne, hvordan en fugl lyder, hvis blot man kender til dens lydorgans fysiske egenskaber.

Efter nogle år er det i et internationalt samarbejde nu endelig lykkedes at opnå netop dette, og computermodellen gør det meget lettere for forskere at udforske sang og stemme blandt både dyr og mennesker.

Eksempelvis kan forskerne nu undersøge biologien bag stemmen hos mange sangfugle, der er så små, at det er praktisk umuligt at studere vibrationerne i deres stemmefolder, når de producerer lyd.

Modellen kan forhåbentlig også bruges til at forudsige, hvordan mennesker kommer til at lyde efter en operation for kræft i strubehovedet, hvilket ofte giver dem en helt ny stemme.

”I vores forsøg var modellen ’spot on’ hver gang. Det er samtidig første gang, en model af denne type bliver undersøgt så grundigt, som vi har gjort her,” siger Coen Elemans.

Forskningen er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.

Forskere manglede data til at verificere computermodel

Coen Elemans har i de forgangne ni år arbejdet sammen med en række fysikere, matematikere og ingeniører om at udvikle en computermodel for dyrs stemmer.

Desværre har det været ni år med frustrationer, da ingen indtil nu har været i stand til at løfte opgaven.

Ved et rent tilfælde hørte Coen Elemans for nylig om en gruppe forskere fra University of Maine, som havde udviklet netop den computermodel, som han selv havde forsøgt at udvikle i de mange år.

Forskerne manglede dog data til at afprøve og verificere computermodellen.

”Jeg kan udføre sofistikerede forsøg, men jeg manglede en model, så vi indgik et samarbejde og udviklede forsøg, hvor mine data kunne benyttes til at teste deres computermodel,” forklarer Coen Elemans.

Duer verificerede avanceret computermodel

Forskerne testede computermodellen på data fra seks duer.

Coen Elemans havde undersøgt duerne efter alle kunstens regler og målt strubehovedets tredimensionelle struktur, lufttrykket gennem strubehovedet, musklernes bevægelser, stivheden af stemmefolderne, alle biologiske elementers fysiske egenskaber og meget, meget mere.

Alle de data fodrede forskerne modellen med, og efterfølgende undersøgte de, om modellens output matchede det faktisk målte i form af fundamentale frekvenser, lydens dybde og stemmefoldernes vibrationer, hvilket alle sammen er udtryk for lyd eller stemme.

”Undersøgelsen handlede om at se, hvorvidt computermodellen kunne komme med korrekte forudsigelser om, hvordan et dyr lyder, og den ramte helt præcist, hvilket var ekstremt opløftende,” siger Coen Elemans.

Sangfugle kan undersøges mere nøjagtigt end tidligere

Coen Elemans fortæller, at computermodellen har flere perspektiver.

Forskerne kan bruge den til at undersøge lyde fra dyr, som ikke er velegnede til at undersøge ved fysiske undersøgelser.

Eksempelvis er mange sangfugle så små, at det ikke er praktisk muligt at undersøge stemmefolderne i deres syrinx.

”Med modellen kan vi undersøge effekten af forskellige fysiske og strukturelle parametre på de unikke stemmer, som sangfuglene har,” siger Coen Elemans.

Kan forudsige en persons stemme efter en halsoperation

Det andet perspektiv er, om modellen kan bruges til mennesker, som skal opereres for kræft i strubehovedet.

Med denne type model kan lægerne forhåbentligt inden det kirurgiske indgreb undersøge, hvordan den enkelte patients stemme kommer til at ændre sig på grund af operationen alt afhængigt af den del af strubehovedet, som lægerne fjerner.

Modellen giver på den måde lægerne større tiltro til udfaldet af det kirurgiske indgreb.

”Førhen fjernede kirurger stemmefolderne fuldstændigt, men nu fjerner de tumorer meget mere præcist, så de fjerner ikke stemmefolderne helt mere. Denne type model kan i fremtiden bruges til at forudsige effekten af et kirurgisk indgreb på stemmen,” siger Coen Elemans.

Kan ikke bruges til at sige, hvordan dinosaurerne lød

Det er fristende at tro, at modellen også kunne give indsigt i, hvordan uddøde dyr, eksempelvis dinosaurerne, lød, men ifølge Coen Elemans kan modellen ikke bruges til det.

Modellen viser nemlig også, hvilke parametre der er ekstremt vigtige for at kunne forudsige et dyrs stemme eller lyd.

Blandt de mest indflydelsesrige parametre er væv i lydorganet.

”Netop de bløde væv fossilerer kun meget sjældent, og uden den parameter vil en undersøgelse af dinosaurernes lyd være gætværk og ikke en beregning,” siger Coen Elemans.

High-fidelity continuum modeling predicts avian voiced sound production” er udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Medforfatter Coen Elemans fik i 2017 støtte fra Novo Nordisk Fonden til projektet ”Give Voice to Your Body: Decoding Vocal Motor Control”.

Coen P.H. Elemans
Associate Professor
Physical mechanisms for making sound We found that birds make sound using the same physical mechanisms as mammals do. In songbirds we have a much more detailed understanding how neurons in the brain contribute to song compared to human, but we didn't know how sound was produced and still don't know much about how sound is actually controlled. Our finding allows us to tap into over 60 years of knowledge on the human voice to jumpstart our understanding of sound production and control in birds. We discovered that mice make their ultrasonic courtship songs by tiny whistles in their larynx, a mechanism that has only been observed by supersonic jet engines. It is important to understand how mice make their ultrasonic love songs because they are a vital tool for linking
gene mutations to behavior in
mouse models of communication disorders, such as autism. How do you make sound with a larynx when you return to water and have no airflow available? We discovered that the fully aquatic African clawed frogs evolved a novel mechanism of sound production using a heavily modified larynx. Superfast motor control of sound production Superfast muscles are the fastest synchronous vertebrate muscles known and due to their extreme performance have provided valuable insights in basic muscle cell functions, such as rate-limiting steps during excitation-contraction coupling. The phenotype was thought to be extremely rare, but work from our lab has showed it to be ubiquitous in vocal control in birds and mammals and crucial for their communication and survival. In 2017 we showed that SFM operate at a maximum operational speed set by fundamental constraints in synchronous muscle. These constraints set a fundamental limit to the maximum speed of fine motor control.