Un videojuego arroja luz sobre cómo vuelan los insectos

Moscas de la fruta genéticamente modificadas han permitido a los científicos desentrañar la misteriosa mecánica de vuelo de los insectos. Gracias a la IA, cartografiaron cómo los músculos de la mosca Drosophila melanogaster manipulan la bisagra del ala para realizar maniobras de vuelo ágiles y aerodinámicas.

Pocas hazañas evolutivas intrigan tanto a la ciencia como la habilidad de volar. Esta habilidad, que ha evolucionado independientemente en aves, murciélagos, pterosaurios e insectos, no es solo un testimonio de la diversidad de la vida, sino también una ventana a la ingeniería biológica en su máxima expresión.

Entre estos maestros del aire, los insectos se destacan por su enigmático sistema de vuelo. A diferencia de sus contrapartes vertebradas, las alas de los insectos no contienen músculos ni nervios.

En cambio, son controladas por un conjunto de músculos ubicados dentro del cuerpo, que operan un sistema de poleas parecido a un títere dentro de una bisagra compleja en la base del ala.

Red neuronal predictora

Una nueva investigación, liderada por Michael Dickinson, profesor de Bioingeniería y Aeronáutica en Caltech, arroja luz sobre este misterioso mecanismo.

Este equipo desarrolló una red neuronal que predice el movimiento de las alas de las moscas de la fruta basándose en la actividad muscular, con el fin de comprender mejor la compleja estructura de bisagra del ala.

Esto implicó crear un "videojuego" para las moscas, rodeándolas con pantallas LED que simulaban señales ambientales y las incitaban a cambiar sus patrones y velocidades de vuelo. Los investigadores recopilaron terabytes de datos sobre 72.000 aleteos.

También IA

Utilizando cámaras de alta velocidad y aprendizaje automático (una rama de la Inteligencia Artificial), el laboratorio de Dickinson cartografió cómo los músculos de la mosca Drosophila melanogaster manipulan la bisagra del ala para realizar maniobras de vuelo ágiles y aerodinámicas.

La bisagra del ala de una mosca contiene 12 músculos de control, cada uno conectado a una sola neurona. Para poner esto en perspectiva, mientras que un colibrí posee la misma maniobrabilidad que una mosca, utiliza miles de neuronas motoras para ejecutar maniobras de vuelo similares.

Aporte genético

El equipo de Dickinson creó moscas genéticamente modificadas cuyos músculos de la bisagra del ala brillaban con luz fluorescente al activarse.

Luego, colocaron las moscas en una cámara con tres cámaras de alta velocidad capaces de capturar 15,000 cuadros por segundo para medir el movimiento del ala y un microscopio para detectar la activación fluorescente de los músculos de la bisagra del ala.

“No queríamos simplemente predecir el movimiento del ala; queríamos saber el papel de cada músculo”, explica Johan Melis, primer autor del estudio. Dijo que los investigadores querían vincular la biomecánica de la bisagra del ala con los circuitos neuronales que la controlaban.

Perspectivas

El equipo pretende ir más allá de simplemente mapear la mecánica del vuelo de un insecto, ya que se proponen desarrollar un modelo que integre la mecánica de las bisagras de las alas, la aerodinámica del vuelo e incluso los circuitos cerebrales del insecto.

Además, el equipo ampliará su investigación a otras especies de insectos voladores, incluidos mosquitos y abejas. Esto les dará una comprensión más profunda de cómo las variaciones en la estructura de las alas se traducen en diversos comportamientos de vuelo en todo el mundo de los insectos.

Interfaz cerebro-cuerpo

En última instancia, esto les ayudará a comprender de manera integral el vínculo neurobiológico entre el cerebro de un insecto y los intrincados movimientos de sus alas.

“La bisagra del ala es sólo el hardware; la verdadera pasión en nuestro laboratorio ha sido la interfaz cerebro-cuerpo”, concluye Dickinson.

Referencia

Machine learning reveals the control mechanics of an insect wing hinge. Johan M. Melis et al. Nature, volume 628, pages795–803 (2024). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-024-07293-4