La presión y el movimiento de las partículas permiten a los peces averiguar la dirección del sonido
Cuando están bajo el agua, los humanos no pueden determinar de dónde proviene un sonido. El sonido viaja allí unas cinco veces más rápido que en tierra. Eso hace que la audición direccional, o localización del sonido, sea casi imposible porque el cerebro humano determina el origen de un sonido analizando la diferencia de tiempo entre su llegada a un oído y al otro.
Por el contrario, los estudios de comportamiento han demostrado que los peces pueden localizar fuentes de sonido, como presas o depredadores. Pero, ¿Cómo lo hacen? Los neurocientíficos de Charité – Universitätsmedizin Berlin han resuelto el enigma describiendo el mecanismo auditivo de un diminuto pez en la revista Nature.
Tiene un nombre bastante grandioso para una criatura tan diminuta: Danionella cerebrum, un pez que mide unos 12 milímetros, casi completamente transparente durante toda su vida, originario de los arroyos del sur de Myanmar. Danionella tiene el cerebro de vertebrados más pequeño conocido, pero aún muestra una serie de comportamientos complejos, incluida la comunicación mediante sonido. Eso, y el hecho de que los científicos pueden ver directamente su cerebro (la cabeza y el cuerpo son casi transparentes), lo hacen interesante para la investigación del cerebro.
El profesor Benjamin Judkewitz, neurobiólogo del Grupo de Excelencia NeuroCure de Charité, y su equipo están utilizando el diminuto pez como una ventana a cuestiones fundamentales como cómo se comunican las células nerviosas entre sí. Su trabajo más reciente está dedicado al desarrollo del sentido del oído y a la cuestión de décadas de cómo los peces pueden localizar una fuente de sonido bajo el agua. Los anteriores modelos de libros de texto sobre audición direccional se quedan cortos cuando se aplican a entornos submarinos.
Imagen derecha: En respuesta a un sonido reproducido bajo el agua, el pez se aleja para poder saber de qué dirección proviene el sonido. Ilustración basada en un coloreado anatómico © Antonia Groneberg, Charité y Jonathan Anand
El mundo acústico, encima y bajo el agua
Desde el canto de las ballenas hasta el canto de los pájaros o un depredador acechando a su presa, cuando el sonido se emite desde una fuente, se propaga al medio que la rodea en forma de movimiento y oscilaciones de presión. Esto se puede sentir incluso colocando una mano sobre el cono de un altavoz. Se produce la vibración de las partículas, el aire adyacente se mueve; esto se conoce como velocidad de las partículas. La densidad de las partículas también cambia a medida que se comprime el aire. Esto se puede medir como presión sonora.
Los vertebrados terrestres, incluidos los humanos, perciben la dirección del sonido principalmente comparando el volumen y el tiempo en que la presión sonora llega a ambos oídos. Un ruido suena más fuerte y llega antes al oído más cercano a la fuente del sonido. Esa estrategia no funciona bajo el agua. El sonido se propaga mucho más rápido allí y el cráneo no lo amortigua.
Esto significa que los peces tampoco deberían ser capaces de oír direccionalmente, ya que prácticamente no hay diferencia en el volumen y el tiempo de llegada entre sus oídos. Y, sin embargo, se ha observado audición espacial en estudios de comportamiento de varias especies.
"Para saber si un pez puede distinguir la dirección del sonido, y sobre todo cómo, construimos altavoces submarinos especiales y reproducimos sonidos breves y fuertes", explica Johannes Veith, uno de los dos primeros autores del actual estudio. "Luego analizamos con qué frecuencia Danionella evita al altavoz, lo que significa que reconoce la dirección de donde proviene el sonido". Para los análisis se utilizó una cámara para filmar cada pez desde arriba y seguir su posición exacta. Este método de seguimiento en vivo aportó una ventaja crucial: el equipo pudo concentrarse ahora en los ecos y suprimirlos.
Imagen: Diseño de montaje y equipos de calibración de sonido.
Los peces oyen de forma completamente diferente
Lo que los humanos perciben a través del tímpano es la presión del sonido, no la velocidad de las partículas. Los peces tienen un mecanismo auditivo completamente diferente: También pueden percibir la velocidad de las partículas. Cómo funciona exactamente esto en Danionella fue revelado por imágenes tomadas con un microscopio de escaneo láser especialmente diseñado que escanea las estructuras dentro del oído del pez en un patrón estroboscópico mientras se reproduce un sonido.
Cerca de un altavoz submarino, las partículas de agua se mueven hacia adelante y hacia atrás a lo largo de un eje orientado hacia y alejándose del altavoz. La velocidad de las partículas se mueve en la dirección en la que se propaga el sonido. Un pez cerca del altavoz también se mueve con el agua, pero las pequeñas piedras en el oído interno conocidas como otolitos se mueven más lentamente debido a la inercia. Esto da como resultado un pequeño movimiento detectado por las células sensoriales del oído.
El problema es que esto significa que los peces sólo pueden detectar el eje a lo largo del cual se mueve el sonido, pero no la dirección de donde proviene. Esto se debe a que el sonido es una forma de oscilación, un movimiento continuo de ida y vuelta.
Imagen derecha: Los sonidos provocan un reflejo de sobresalto direccional en Danionella cerebrum.
Este problema se resuelve analizando la velocidad de las partículas en función de la presión sonora actual, una de las varias hipótesis que en el pasado buscaban explicar el mecanismo involucrado en la audición direccional. Esta resultó ser la única teoría que coincidía con los resultados de los investigadores: "La presión sonora pone en movimiento la vejiga natatoria comprimible, que a su vez es reconocida por las células ciliadas del oído interno. A través de este segundo canal auditivo indirecto, la presión sonora proporciona a los peces la referencia que necesitan para una audición direccional. Eso es exactamente lo que predijo un modelo de audición espacial de los años 70, y ahora lo hemos confirmado experimentalmente”, afirma Judkewitz.
El equipo también pudo demostrar que se puede engañar a la audición direccional invirtiendo la presión acústica. Una vez hecho esto, el pez nadó en la dirección opuesta, es decir, hacia la fuente del sonido.
Las imágenes de micro-CT del aparato auditivo de Danionella muestran que es similar al órgano sensorial de aproximadamente dos tercios de los peces vivos de agua dulce, o alrededor del 15 por ciento de todas las especies de vertebrados. Esto sugiere que la estrategia de audición direccional que el equipo ha confirmado ahora, que implica un análisis combinado de la presión del sonido y la velocidad de las partículas, podría estar muy extendida. Los investigadores planean continuar su trabajo para determinar qué células nerviosas se activan específicamente cuando se reproducen sonidos bajo el agua.
Los hallazgos se ha publicado en la revista Nature: The mechanism for directional hearing in fish
