Whole-body 3D kinematics of freely behaving Drosophila

Para comprender cómo un sistema nervioso convierte una simple señal eléctrica en un movimiento complejo y coordinado, los científicos primero deben ser capaces de ver ese movimiento con absoluta claridad. Durante décadas, los investigadores han dependido de la mosca de la fruta, un diminuto insecto con un cerebro bien mapeado, para descubrir las reglas del control motor. El desafío siempre ha sido que estas moscas son pequeñas, se mueven con una velocidad cegadora y a menudo bloquean su propio cuerpo de la vista cuando giran o interactúan con otros. Los métodos tradicionales de seguimiento han tenido dificultades para capturar su movimiento completo en tres dimensiones, dejando un vacío entre lo que el cerebro envía y cómo el cuerpo responde realmente. Sin una imagen completa de la postura de la mosca en el espacio, sigue siendo difícil construir modelos precisos de cómo el cerebro ordena a los músculos crear el comportamiento.

Un equipo de investigadores ha cerrado esta brecha creando un sistema que observa el movimiento de las moscas en 3D completo sin tocarlas nunca ni adherir marcadores a sus cuerpos. Instalaron siete cámaras de alta velocidad que trabajan en conjunto para grabar a los insectos a 800 fotogramas por segundo, capturando cada rápido espasmo y giro. Para dar sentido a este flujo de datos visuales, entrenaron un programa informático para reconocer y rastrear cincuenta puntos específicos en el cuerpo de la mosca, desde las puntas de sus patas hasta los extremos de sus antenas. Debido a que las suposiciones iniciales de la computadora a veces pueden parecer físicamente imposibles —como una pata doblándose de la manera incorrecta—, los investigadores añadieron un segundo paso. Utilizaron un modelo de la anatomía real de la mosca para corregir estos errores, asegurando que cada movimiento que el sistema registrara fuera algo que una mosca real pudiera hacer físicamente. Este proceso, conocido como reorientación (retargeting), transforma el video bruto en un mapa preciso y anatómicamente correcto del movimiento de la mosca.

Cuando los científicos analizaron los movimientos de las moscas corriendo sobre el suelo, descubrieron algo que contradice una suposición largamente sostenida sobre cómo se mueven los insectos. Durante mucho tiempo, se creyó que los animales cambian entre distintos estilos de carrera, o marchas, a medida que aceleran o desaceleran. Los datos de este estudio muestran que las moscas no hacen esto. En cambio, mantienen un único estilo de carrera establecido a través de todo su rango de velocidades, sin transicionar nunca hacia una marcha diferente. Este hallazgo sugiere que los mecanismos de control de su movimiento son más continuos y fluidos de lo que se pensaba anteriormente.

El sistema también demostró ser lo suficientemente potente como para rastrear múltiples moscas a la vez, permitiendo a los investigadores observar las interacciones sociales con un detalle sin precedentes. Al observar a un macho de mosca cortejar a una hembra, el estudio reveló que el macho coordina el movimiento de ambas alas para producir su canto de cortejo. Al mismo tiempo, ajusta constantemente el ángulo de su cuerpo, inclinando su cabeza y torso hacia arriba o hacia abajo para mantener sus ojos fijos en la posición vertical de la hembra mientras ella se mueve. Estas observaciones proporcionan un registro tridimensional rico del comportamiento que antes era imposible de capturar. Al poner este gran conjunto de datos y el software utilizado para crearlo a disposición del público, los investigadores han proporcionado una nueva base para que los científicos construyan modelos detallados de cómo el cerebro y el cuerpo trabajan juntos para generar el movimiento.