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《美国科学院院刊(PNAS)》发表李星星与罗金红教授课题组的交叉学科研究成果时间:2022-06-29

近日,国际著名综合性期刊Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS,美国科学院院刊,影响因子:12.779)发表了武汉大学新濠天地3559cσm李星星教授课题组与华中师范大学生命科学学院罗金红教授课题组的导航与生物交叉学科合作研究成果,论文题目为“Sensory Error Drives Fine Motor Adjustment”。新濠天地3559cσm研究生周宇轩和华中师范大学研究生汪慧敏为论文的共同第一作者,李星星教授和华中师范大学罗金红教授为共同通讯作者。

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回声定位蝙蝠(Echolocation bats)依赖超声波实现快速、精确的空间感知和定位,并且具有极强的抗干扰能力,但是其发声控制的机制尚不清楚。对回声定位蝙蝠发声控制的机制进行研究和分析,对于理解不同哺乳动物在发声控制上的共性与不同,探究蝙蝠高精度回声定位的机制,具有重要的意义。

本研究提出并验证了感觉误差纠正(Sensory error correction)是回声定位蝙蝠发声控制的机制这一假说。感觉误差纠正是人类言语(Speech)控制的机制,而多年来研究者认为回声定位蝙蝠的发声控制机制与人和其他哺乳动物的控制机制是完全不同的。本文尝试将人类言语控制的状态反馈控制(State feedback control,SFC)的模型用于解析蝙蝠回声定位声波的精准控制。在实验方面,本研究利用FPGA技术搭建了一种能够对蝙蝠的叫声进行实时处理并以此为模板在线创造变频(变调)听觉反馈的实验装置,测量了多个蝙蝠个体对于变频(变调)回声的发声响应。在此基础上,使用包含多状态窗口的卡尔曼滤波器对蝙蝠的音调调整进行数学建模,综合考虑了体感反馈、听觉反馈以及感觉延迟等机制,并引入蝙蝠个体对于不同音调偏移量的不确定度作为关键参数,对实测的蝙蝠声音调整模式进行了准确的数值预测。基于此,本文确定了回声定位蝙蝠使用与人类言语类似的状态反馈控制的原理进行精准的实时发声频率控制。

本研究是神经生物学与导航学科的交叉结合,整合使用了生物学的研究手段和导航学科中的状态估计、自动控制等理论方法,对于深入理解回声定位蝙蝠的发声控制机制提供了重要的参考。另一方面,破解回声定位蝙蝠的发声控制机制,对于理解蝙蝠回声定位的抗干扰性、精确度等特性具有重要的启示。此外,导航学与生物学的交叉研究成果有望用于高精度传感器的研制并实现基于声学的仿生导航,为GNSS拒止的复杂环境下智能载体的导航定位提供新思路。

论文链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2201275119

来源:课题组

审核:胡俊英