Las imágenes de alta velocidad y la IA nos ayudan a comprender cómo funcionan las alas de los insectos

Agrandar / Un time-lapse que muestra cómo el ala de un insecto adopta posiciones muy específicas durante el vuelo.

Florian Muijres, Laboratorio Dickinson

Hace unos 350 millones de años, nuestro planeta fue testigo de la evolución de las primeras criaturas voladoras. Todavía existen y algunos de ellos continúan molestándonos con su zumbido. Si bien los científicos han clasificado a estas criaturas como pterigotos, el resto del mundo simplemente las llama insectos alados.

Hay muchos aspectos de la biología de los insectos, especialmente su vuelo, que siguen siendo un misterio para los científicos. Una es simplemente cómo mueven sus alas. La bisagra del ala de un insecto es una articulación especializada que conecta las alas de un insecto con su cuerpo. Está compuesto por cinco estructuras en forma de placas interconectadas llamadas escleritos. Cuando estas placas son desplazadas por los músculos subyacentes, las alas del insecto se agitan.

Hasta ahora, ha resultado complicado para los científicos comprender la biomecánica que gobierna el movimiento de los escleritos, incluso utilizando tecnologías de imagen avanzadas. “Los escleritos dentro de la bisagra del ala son tan pequeños y se mueven tan rápidamente que su operación mecánica durante el vuelo no se ha capturado con precisión a pesar de los esfuerzos realizados mediante fotografía estroboscópica, videografía de alta velocidad y tomografía de rayos X”, Michael Dickinson, profesor de biología de Zarem. y bioingeniería en el Instituto de Tecnología de California (Caltech), dijo a Ars Technica.

Como resultado, los científicos no pueden visualizar exactamente lo que sucede a microescala dentro de la bisagra del ala mientras vuelan, lo que les impide estudiar el vuelo de los insectos en detalle. Sin embargo, un nuevo estudio realizado por Dickinson y su equipo finalmente reveló el funcionamiento de los escleritos y la bisagra del ala de los insectos. Capturaron el movimiento de las alas de las moscas de la fruta (Drosophila melanogaster) analizando 72.000 aleteos registrados utilizando una red neuronal para decodificar el papel que desempeñaban los escleritos individuales en la configuración del movimiento de las alas de los insectos.

Entendiendo la bisagra del ala de un insecto

La biomecánica que gobierna el vuelo de los insectos es bastante diferente a la de las aves y los murciélagos. Esto se debe a que las alas de los insectos no evolucionaron a partir de las extremidades. “En el caso de las aves, los murciélagos y los pterosaurios sabemos exactamente de dónde vinieron las alas evolutivamente porque todos estos animales vuelan con sus extremidades anteriores. Básicamente usan sus brazos para volar. En el caso de los insectos, la historia es completamente diferente. Evolucionaron a partir de organismos de seis patas y conservaron las seis patas. Sin embargo, agregaron apéndices batientes en el lado dorsal de su cuerpo, y es un misterio de dónde vinieron esas alas”, explicó Dickinson.

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Algunos investigadores sugieren que las alas de los insectos provienen de apéndices en forma de branquias Presente en antiguos artrópodos acuáticos. Otros argumentan que las alas se originaron en “lóbulos”, excrecencias especiales que se encuentran en las patas de los antiguos crustáceos, que fueron los antepasados ​​​​de los insectos. Este debate aún está en curso, por lo que su evolución no puede decirnos mucho sobre cómo funcionan la bisagra y los escleritos.

Comprender la mecánica de las bisagras es crucial porque es lo que convierte a los insectos en criaturas voladoras eficientes. Les permite volar a velocidades impresionantes en relación con el tamaño de su cuerpo (algunos insectos pueden volar a 33 mph) y demostrar una gran maniobrabilidad y estabilidad durante el vuelo.

“La bisagra del ala del insecto se encuentra posiblemente entre las estructuras esqueléticas más sofisticadas y evolutivamente importantes del mundo natural”, según los autores del estudio.

Sin embargo, imaginar la actividad de cuatro de los cinco escleritos que forman la bisagra ha sido imposible debido a su tamaño y a las velocidades a las que se mueven. Dickinson y su equipo emplearon un enfoque multidisciplinario para superar este desafío. Diseñaron un aparato equipado con tres cámaras de alta velocidad que registraban la actividad de moscas de la fruta atadas a 15.000 fotogramas por segundo utilizando luz infrarroja.

También utilizaron una proteína sensible al calcio para rastrear los cambios en la actividad de los músculos directores de los insectos mientras volaban (el calcio ayuda a desencadenar las contracciones musculares). “Registramos un total de 485 secuencias de vuelo de 82 moscas. Después de excluir un subconjunto de aleteos de las secuencias en las que la mosca dejó de volar o voló con una frecuencia de aleteos anormalmente baja, obtuvimos un conjunto de datos final de 72.219 aleteos”, dijeron los investigadores. nota.

A continuación, entrenaron una red neuronal convolucional (CNN) basada en aprendizaje automático utilizando el 85 por ciento del conjunto de datos. “Utilizamos el modelo CNN para investigar la transformación entre la actividad muscular y el movimiento de las alas mediante la realización de una serie de manipulaciones virtuales, explotando la red para ejecutar experimentos que serían difíciles de realizar en moscas reales”, explicaron.

Además de la red neuronal, también desarrollaron una red neuronal codificadora-decodificadora (una arquitectura utilizada en el aprendizaje automático) y la alimentaron con datos relacionados con la actividad de los músculos de dirección. Mientras que el modelo CNN podría predecir el movimiento de las alas, el codificador/decodificador podría predecir la acción de los músculos escleríticos individuales durante el movimiento de las alas. Ahora era el momento de comprobar si los datos que predijeron eran precisos.

2024-04-22 20:16:59
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