Dos cámaras recogen imágenes del comportamiento desde múltiples ángulos para reconstruirlo en 3D
La escasez de energía es un factor clave del comportamiento y la evolución animal. La asombrosa diversidad de vida en este planeta demuestra la abundancia de nuevas soluciones biológicas al problema de asegurar y mantener la energía. Sin embargo, a pesar de ser tan central para la biología, sigue siendo difícil cuantificar, y por tanto analizar empíricamente, el consumo de energía.
Si bien los organismos utilizan energía para una amplia variedad de procesos, desde el crecimiento hasta la cognición, una actividad supone un importante desgaste para muchos animales: el movimiento. Para los animales con gran movilidad, el movimiento es una poderosa herramienta para estimar el consumo de energía.
Existen sólidos métodos para medir el movimiento de los animales en el contexto del gasto energético, pero están limitados por el tamaño físico del equipo utilizado.
Ahora, investigadores de la Unidad de Biofísica Marina del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) describen un innovador método para medir el uso de energía durante el movimiento con vídeo y seguimiento 3D a través de aprendizaje profundo.
"Hasta ahora, el mejor método sin limitaciones de espacio se ha descartado para el estudio de aproximadamente la mitad de las especies del mundo, debido a la dependencia de dispositivos portátiles", afirma el Dr. Kota Ishikawa, primer autor del estudio. "Con el vídeo, ahora disponemos de un método más inclusivo para estudiar el consumo de energía en el contexto del comportamiento y la ecología animal".
Vídeo: Aceleración Corporal Dinámica (DBA) basada en vídeo en acción. Se ha entrenado un modelo de aprendizaje profundo para rastrear la ubicación de puntos corporales en un pez en un tanque, conectado a un respirómetro que mide la concentración de oxígeno en el agua. La aceleración puede derivarse del movimiento de los puntos y posteriormente analizarse junto con el consumo de oxígeno para estimar el consumo de energía. Crédito: Ishikawa et al., 2025
La Aceleración Corporal Dinámica (DBA por sus singlas en inglés) ha sido durante mucho tiempo el método más avanzado para estimar el consumo de energía durante el movimiento. En esencia, la ADC consiste en medir el consumo de oxígeno de una especie determinada que realiza un comportamiento específico en el laboratorio, simplemente midiendo la cantidad de oxígeno consumido durante la actividad.
El oxígeno es un buen indicador de energía, ya que se consume como parte de la respiración aeróbica para producir ATP, el "combustible" que proporciona energía para la mayoría de los procesos corporales, incluida la contracción muscular. La aceleración del animal se mide simultáneamente con un acelerómetro y, en la mayoría de los casos, debido a que la correlación entre la aceleración y el consumo de oxígeno durante el comportamiento es muy fuerte, la DBA proporciona una estimación confiable del consumo de energía.
Con el estándar establecido en el laboratorio, se mide posteriormente la DBA en condiciones naturales, donde es imposible medir con fiabilidad el consumo de oxígeno, mediante un acelerómetro portátil. Sin embargo, depender de equipos físicos presenta una importante barrera.
Imagen: Un miembro de Chromis viridis, la especie que aparece en el estudio. Crédito: Kota Ishikawa
"Para garantizar mediciones precisas sin influir en el comportamiento durante la observación, los investigadores han utilizado un equipo que pesa al menos diez veces menos que el animal. Dado que el acelerómetro y la batería pesan entre 10 y 20 gramos, esto descarta el estudio de animales de menos de 100 gramos, aproximadamente la mitad de las especies de vertebrados del mundo. También puede afectar el movimiento, especialmente cuando depende de la eficiencia de la resistencia al avance, como al nadar o al volar", afirma el Dr. Ishikawa.
Su solución a este problema es elegantemente sencilla. En lugar de usar un acelerómetro físico para medir los movimientos, dos cámaras recogen imágenes del comportamiento (en este caso, un pez damisela nadando en una pecera) desde múltiples ángulos para reconstruirlo en 3D.
Luego se utilizan algunos fotogramas de los vídeos para entrenar una red neuronal de aprendizaje profundo para rastrear la posición de las características corporales, como los ojos, lo que permite a los investigadores medir posteriormente la aceleración relacionada con el movimiento.
Imagen derecha: Un cardumen de peces damisela en las aguas alrededor de Okinawa.
Tanto en el campo como en el laboratorio, una vez instaladas las cámaras para recoger los movimientos de los animales, se puede estimar el consumo de energía. Por ejemplo, la DBA basada en vídeo puede utilizarse en el contexto del comportamiento colectivo: "El gasto energético durante la formación de bancos de pequeños peces ha sido un misterio durante mucho tiempo", explica el Dr. Ishikawa.
"Por ejemplo, ¿Los peces que van adelante consumen más energía? ¿Es el cardumen una forma de movimiento energéticamente eficiente? ¿Y qué nos dice esto sobre la ecología y la evolución del cardumen?
Gracias a la DBA basada en vídeo, la medición precisa del consumo de energía durante el comportamiento animal en libertad se ha abierto a la mitad más pequeña de las especies de vertebrados del mundo, lo que potencialmente posibilita muchas nuevas vías de investigación.
La investigación se ha publicado en el Journal of Experimental Biology: Use of videos to measure dynamic body acceleration as a proxy for metabolic costs in coral reef damselfish (Chromis viridis)
