Los peces toman señales de movimiento visual desde abajo
Así como tu puedes mirar hacia abajo a la acera mientras caminas, los peces miran hacia abajo cuando nadan, según ha confirmado un nuevo estudio realizado por una colaboración internacional dirigida por la Universidad Northwestern.
El estudio es el primero en combinar simulaciones del cerebro del pez cebra, el entorno nativo y el comportamiento de natación que varía espacialmente en un modelo computacional. Al analizar este modelo, los investigadores concluyeron que esta peculiaridad (mirar hacia abajo mientras se nada hacia adelante) es un comportamiento adaptativo que evolucionó para ayudar a los peces a autoestabilizarse, como cuando nadan contra una corriente.
A medida que el agua se mueve, los peces intentan constantemente autoestabilizarse para permanecer en su lugar, en lugar de ser arrastrados por una corriente en movimiento. Centrarse en otros peces, plantas o desechos puede darle al pez una falsa sensación de que se está moviendo. Sin embargo, el lecho estable del río debajo de ellos brinda a los peces información más confiable sobre la dirección y la velocidad de su nado.
"Es similar a sentarse en un vagón de tren que no se mueve. Si el tren al lado del suyo comienza a alejarse de la estación, puede engañarlo y hacerle creer que también se está moviendo", dijo Emma Alexander de Northwestern, quien dirigió el estudio. Alexander es profesora asistente de informática en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern, donde dirige el Bio Inspired Vision Lab.
"La señal visual del otro tren es tan fuerte que anula el hecho de que todos tus otros sentidos te dicen que estás quieto. Ese es exactamente el mismo fenómeno que estamos estudiando en los peces. Por encima de ellos hay muchas señales de movimiento engañosas, pero las señales más abundantes y confiables provienen del fondo del río".
Vídeo: Mira a un pez cebra nadar junto con patrones cambiantes, proyectados en el fondo de su tanque. Este experimento proporcionó evidencia de que los peces toman señales de movimiento visual desde abajo. Crédito: E. Alexander/Universidad del Noroeste
Volviendo atrás a la fuente
Para realizar la investigación, Alexander y sus colaboradores se centraron en el pez cebra, un organismo modelo bien estudiado. Pero, aunque muchos laboratorios tienen tanques llenos de peces cebra, el equipo quería centrarse en el entorno nativo del pez en la India.
"Recientemente se descubrió que los peces responden al movimiento por debajo de ellos con más fuerza que al movimiento por encima de ellos. Queríamos profundizar en ese misterio y entender por qué", explicó Alexander. "Muchos peces cebra que estudiamos crecen en tanques de laboratorio, pero sus hábitats nativos dieron forma a la evolución de sus cerebros y comportamientos, por lo que necesitábamos volver a la fuente para investigar el contexto en el que se desarrolló el organismo".
Armado con equipo de cámara, el equipo visitó siete sitios en India para recopilar datos de vídeo de ríos poco profundos, donde el pez cebra vive naturalmente. El equipo de campo colocó una cámara de 360 grados dentro de un estuche de buceo a prueba de agua y la conectó a un brazo robótico controlado de forma remota. Luego, usaron el brazo robótico para sumergir la cámara y moverla en el agua.
"Nos permitió poner nuestros ojos donde estarían los ojos de los peces, por lo que es ver lo que ven los peces", dijo Alexander. "A partir de los datos del vídeo, pudimos modelar hipotéticos escenarios en los que un pez simulado se movía arbitrariamente a través de un entorno realista".
Imagen: Los investigadores recopilaron datos de vídeo de un arroyo boscoso con un sustrato arenoso y un flujo de bajo a medio. Crédito: E. Alexander/Universidad del Noroeste
'¡Espérame!'
De vuelta en el laboratorio, el equipo también siguió los movimientos del pez cebra dentro de una bola de LED. Debido a que los peces tienen un gran campo de visión, no tienen que mover los ojos para mirar a su alrededor como lo hacen las personas. Entonces, los investigadores reprodujeron estímulos de movimiento a través de las luces y observaron las respuestas de los peces. Cuando aparecieron patrones en el fondo del tanque, los peces nadaron junto con los patrones en movimiento, más evidencia de que los peces estaban tomando sus señales visuales al mirar hacia abajo.
"Si reproduces un vídeo con rayas en movimiento, el pez se moverá junto con las rayas", dijo Alexander. "Es como si estuvieran diciendo '¡espérame!' En el experimento de comportamiento, contamos los latidos de su cola. Cuanto más movían la cola, más querían seguir el ritmo de las rayas en movimiento".
Luego, el equipo extrajo datos de sus vídeos y los combinó con datos de cómo se codifican en el cerebro del pez las señales de movimiento. Alimentaron los conjuntos de datos en dos algoritmos preexistentes utilizados para estudiar el flujo óptico (o el movimiento del mundo a través de nuestros ojos o lentes de cámara).
Finalmente, descubrieron que en ambos escenarios, en la naturaleza y en el laboratorio, el pez cebra mira hacia abajo cuando nada hacia adelante. Los investigadores concluyeron que los peces miran hacia abajo para comprender el movimiento de su entorno y luego nadan para contrarrestarlo, para evitar ser arrastrados.
"Unimos todo en una simulación que mostró que, de hecho, este es un comportamiento adaptativo", dijo Alexander, quien dirigió la parte computacional del estudio. "La superficie del agua se mueve constantemente, y se mueven otros peces y plantas. Es mejor que los peces omitan esa información y se concentren en la información debajo de ellos. Los lechos de los ríos tienen mucha textura, por lo que los peces ven características fuertes que pueden rastrear".
Construyendo mejores robots
Esta información no solo brinda una idea del comportamiento de los peces, sino que también podría informar diseños para sistemas de visión artificial y sofisticados robots bioinspirados.
"Si estuvieras haciendo un robot inspirado en un pez y solo miraras su anatomía, podrías pensar 'los ojos apuntan hacia los lados, así que voy a apuntar mis cámaras hacia los lados'", dijo Alexander. "Pero resulta que los ojos apuntan hacia los lados porque están equilibrando varias tareas. Creemos que apuntan hacia los lados porque es un compromiso: miran hacia arriba para cazar y hacia abajo para nadar".
El estudio se ha publicado hoy el 2 de noviembre en la revista Current Biology: Optic flow in the natural habitats of zebrafish supports spatial biases in visual self-motion estimation
