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

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. Siguen ahí y algunos siguen molestándonos con sus zumbidos. Si bien los científicos han clasificado a estas criaturas como pterigotos, el resto del mundo simplemente las llama insectos alados.

Muchos aspectos de la biología de los insectos, incluido el vuelo, siguen siendo un misterio para los científicos. La primera es simplemente la forma en que 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 formado por cinco estructuras en forma de placas interconectadas llamadas escleritos. Cuando estas placas son movidas por los músculos subyacentes, las alas del insecto baten.

Hasta ahora, ha resultado difícil 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 funcionamiento mecánico durante el vuelo no ha sido captado 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 en 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 escala microscópica en la bisagra del ala durante el vuelo, lo que les impide estudiar en detalle el vuelo de los insectos. Sin embargo, un nuevo estudio realizado por Dickinson y su equipo finalmente ha revelado cómo funcionan los escleritos y las bisagras de las alas de los insectos. Captaron 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 desempeñan los escleritos individuales en la configuración del movimiento de las alas de los insectos.

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Entendiendo la bisagra de las alas de los insectos

La biomecánica que rige el vuelo de los insectos es muy 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 durante la evolución, porque todos estos animales vuelan con sus extremidades anteriores. Utilizan principalmente sus brazos para volar. Con los insectos la historia es completamente diferente. Evolucionaron a partir de organismos de seis patas y conservaron sus seis patas. Sin embargo, agregaron apéndices batientes en el lado dorsal de su cuerpo, y de dónde vinieron estas alas sigue siendo un misterio”, explicó Dickinson.

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Algunos investigadores sugieren que las alas de los insectos provienen de apéndices branquiales Presente en antiguos artrópodos acuáticos. Otros sostienen que las alas provienen de «lóbulos«, crecimientos peculiares que se encuentran en las patas de los antiguos crustáceos, ancestros de los insectos. Este debate aún está en curso, por lo que su evolución no puede decirnos mucho sobre el funcionamiento de la bisagra y los escleritos.

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

«La bisagra del ala del insecto es posiblemente una de las estructuras esqueléticas más sofisticadas y evolutivamente importantes del mundo natural», según los autores del estudio.

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Sin embargo, era imposible imaginar la actividad de cuatro de los cinco escleritos que forman la bisagra debido a su tamaño y la velocidad a la que se mueven. Dickinson y su equipo utilizaron un enfoque multidisciplinario para superar este desafío. Diseñaron un dispositivo equipado con tres cámaras de alta velocidad que registraban la actividad de las moscas de la fruta adheridas 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 de dirección de los insectos durante el vuelo (el calcio ayuda a desencadenar las contracciones musculares). “Registramos un total de 485 secuencias de vuelo de 82 vuelos. Después de excluir un subconjunto de aleteos de las secuencias durante las cuales la mosca dejó de volar o voló con una frecuencia anormalmente baja, obtuvimos un conjunto de datos final de 72.219 «alas», dijeron los investigadores. nota.

Luego, entrenaron una red neuronal convolucional (CNN) basada en aprendizaje automático utilizando el 85% del conjunto de datos. «Utilizamos el modelo CNN para estudiar la transformación entre la actividad muscular y el movimiento de las alas mediante la realización de una serie de manipulaciones virtuales, aprovechando 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 del ala, el codificador/decodificador podría predecir la acción de los músculos de la escleritis individuales durante el movimiento del ala. Ahora había llegado el momento de comprobar si los datos previstos eran precisos.

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