El pez que nada delante permanece constantemente en el centro de su retina

Los cardúmenes de peces son fascinantes ejemplos de comportamiento animal colectivo. Miles de individuos se mueven en sincronía casi perfecta, a pesar de que cada pez tiene una visión limitada de su entorno.

¿Cómo logran una coordinación tan sencilla con una información local mínima? ¿Y qué señales visuales percibe realmente un pez en particular dentro de un grupo cambiante y dinámico?

Los investigadores del Cluster de Excelencia "Comportamiento Colectivo" de la Universidad de Constanza y del Instituto Max Planck de Comportamiento Animal que investigan estas cuestiones desarrollaron una nueva tecnología que mira profundamente en el ojo de los peces: su nuevo método de seguimiento ocular en 3D no es invasivo y permite rastrear los movimientos oculares de peces que nadan libremente de forma totalmente automatizada, utilizando únicamente grabaciones de vídeo de los peces.

Por qué es importante el ojo de pez

¿Por qué es importante conocer en 3D la visión retiniana de los peces? Muy sencillo: para ayudarnos a entender las "reglas del comportamiento colectivo", necesitamos estimar qué información está disponible para los miembros individuales del cardumen.

Por ejemplo, el comportamiento colectivo de un cardumen se basa en miles de decisiones que toma cada pez individualmente. Si un pez cambia la dirección de su movimiento, ¿Qué factores influyen en esta decisión? ¿Qué otros peces había en su campo de visión y que utilizó para orientarse? ¿Qué pez, a su vez, reaccionará ante este? ¿Qué reglas de comportamiento siguen los colectivos de peces y en qué percepciones sensoriales se basan sus decisiones?

Los científicos investigaron la naturaleza de las interacciones entre individuos en colectivos, desde bancos de peces hasta bandadas de pájaros, desde enjambres de langostas hasta grandes manadas que migran a través de los continentes. Como es habitual en sus instalaciones de investigación, las cámaras filman a los animales en el laboratorio o en el campo. Luego, los investigadores analizaron las grabaciones mediante visión artificial.

La posición y la postura corporal de cada miembro individual del grupo son rastreadas y evaluadas por un algoritmo informático cada pocos milisegundos y comparadas entre sí. Un aspecto importante es reconstruir el campo de visión de cada individuo, ya que esto nos permite entender lo que cada individuo percibió y si eso influye en sus movimientos posteriores. Y aquí es donde entra en juego el nuevo método de seguimiento ocular.

Imagen: Esquema del seguimiento ocular y reconstrucción en 3D de la visión retiniana de bancos de peces que nadan libremente. Crédito: Communications Biology (2024). DOI: 10.1038/s42003-024-07322-y

Reconstrucción del campo visual

No es tan fácil reconstruir el campo visual de los peces que nadan libremente. No basta con seguir la posición de los ojos, sino que estos deben estar siempre en relación con la postura corporal del animal. Para los científicos era especialmente importante que no fuera necesario realizar ninguna intervención en los animales, por ejemplo, que no tuvieran que colocarles un ocular.

"Nuestro nuevo método no invasivo cumple todos estos requisitos", afirma Liang Li, quien jugó un papel clave en el desarrollo de la tecnología. "Usando las imágenes de la cámara, reconstruimos en primer lugar la postura corporal en 3D del pez, en segundo lugar, la posición precisa del ojo (que, como en los humanos, puede moverse en la cuenca del ojo) y, en tercer lugar, reconstruimos su visión retiniana, para ver lo que ellos ven".

Una importante ventaja del nuevo método es que el comportamiento de los peces se analiza en 3D. Los métodos anteriores se basaban generalmente en imágenes 2D y, por lo tanto, no reflejaban plenamente la naturaleza tridimensional de los bancos de peces. Además, no es necesaria ninguna intervención sobre los peces: simplemente son grabados por cámaras mientras nadan libremente en el tanque.

Se requieren al menos dos cámaras, pero, utilizando muchas cámaras, el sistema se puede ampliar a peceras grandes: cuantas más cámaras, más preciso será el análisis.

"Comprender cómo perciben los animales su entorno e interactúan con sus compañeros sociales es fundamental para desentrañar los mecanismos que subyacen al comportamiento colectivo", afirma Li. "Nuestro método permite acceder con precisión a la percepción visual de los peces que se mueven libremente".

Utilización del nuevo método

El nuevo método ya se ha utilizado en experimentos iniciales de comportamiento con peces de colores, examinando el campo de visión de un individuo que sigue a otro pez de colores que nada delante. "La reconstrucción de la vista retiniana reveló que los peces dorados ajustan dinámicamente sus movimientos oculares de modo que el pez que nada delante permanece constantemente en el centro de su retina", explica el autor principal Ruiheng Wu.

Los investigadores también observaron movimientos oculares sincronizados negativamente, lo que significa que los ojos se mueven en direcciones opuestas en lugar de trabajar juntos en paralelo. Por ejemplo, si el ojo izquierdo se centra en el pez vecino y sigue sus movimientos, el ojo derecho a menudo gira en la dirección exactamente opuesta.

En futuros experimentos, Li quiere descubrir si esto también sucede con otras especies de peces y si ambos ojos de los peces depredadores finalmente se alinean cuando se centran en su presa.

El trabajo se publica en Communications Biology: Non-invasive eye tracking and retinal view reconstruction in free swimming schooling fish