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

Hace unos 350 millones de años, nuestro planeta fue testigo de la evolución de las primeras criaturas voladoras. Todavía existen y algunos de ellos continúan molestándonos con su zumbido. Mientras que los científicos clasifican a estas criaturas como insectos alados, el resto del mundo simplemente los llama insectos alados.

Hay muchos aspectos de la biología de los insectos, especialmente el vuelo, que siguen siendo un misterio para los científicos. La primera es simplemente cómo mueven sus alas. La articulación del ala de un insecto es una articulación especializada que conecta las alas de un insecto con su cuerpo. Están compuestos por cinco estructuras en forma de láminas interconectadas llamadas escleritos. Cuando estas placas son movidas por los músculos subyacentes, las alas del insecto se mueven.

Hasta ahora, ha sido difícil para los científicos comprender la biomecánica que gobierna el movimiento escleral, incluso utilizando técnicas de imagen avanzadas. «La esclerótica dentro de la articulación del ala es tan pequeña y se mueve tan rápido que su acción mecánica en vuelo no ha sido capturada con precisión a pesar de los esfuerzos realizados mediante imágenes estroboscópicas, videografía de alta velocidad y tomografía de rayos X», dijo Michael Dickinson, profesor de Zarem de Biología y Bioingeniería en el Instituto California Tech (Caltech), para Ars Technica.

Como resultado, los científicos no pueden visualizar exactamente lo que sucede a pequeña escala dentro de la articulación del ala mientras vuelan, lo que les impide estudiar el vuelo de los insectos en detalle. Sin embargo, un nuevo estudio realizado por Dickinson y su equipo finalmente reveló el funcionamiento de la esclerótica y las bisagras del ala de un insecto. Captaron el movimiento de las alas de las moscas de la fruta (Mosca de la fruta de vientre negro) analizaron 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.

Comprender el detalle del ala de un insecto.

La biomecánica que rige el vuelo de los insectos es bastante diferente a la de las aves y los murciélagos. Esto se debe a que las alas de los insectos no se desarrollaron a partir de extremidades. “En el caso de las aves, los murciélagos y los pterosaurios, sabemos exactamente de dónde provienen las alas evolutivamente porque todos estos animales vuelan con sus extremidades anteriores. En cuanto a los insectos, evolucionaron a partir de seis. criaturas con patas y conservaron todas las piernas «. Los seis, sin embargo, han agregado apéndices aleteantes en el lado dorsal de sus cuerpos, y se desconoce de dónde vinieron esas alas.

Algunos investigadores sugieren que las alas de los insectos provienen de Apéndices en forma de branquias Se encuentra en antiguos artrópodos acuáticos. Otros creen que las alas se originaron en «Clavos de olor«Un crecimiento especial que se encuentra en las patas de antiguos crustáceos que fueron los antepasados ​​de los insectos. Este debate aún está en curso, por lo que su evolución no puede decirnos mucho sobre cómo funcionan la bisagra y la esclerótica».

Comprender la mecánica de los artrópodos es crucial porque esto es lo que hace que los insectos sean criaturas voladoras tan efectivas. Les permite volar a velocidades asombrosas para el tamaño de su cuerpo (algunos insectos pueden volar a 33 millas por hora) y mostrar una gran maniobrabilidad y estabilidad en vuelo.

«La articulación del ala de un insecto se encuentra posiblemente entre las estructuras esqueléticas más sofisticadas y evolutivamente importantes del mundo natural», según los autores del estudio.

Sin embargo, imaginar la actividad de cuatro de los cinco escleritos que componen la bisagra fue imposible debido a su tamaño y a las velocidades a las que se mueve. Dickinson y su equipo utilizaron un enfoque multidisciplinario para superar este desafío. Diseñaron un dispositivo equipado con tres cámaras de alta velocidad que registran la actividad de las moscas de la fruta atadas a una velocidad de 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 guía de los insectos mientras volaban (el calcio ayuda a estimular las contracciones musculares). “Registramos un total de 485 secuencias de vuelo de 82 moscas. Después de excluir un subconjunto de aleteos de la secuencia cuando la mosca dejó de volar o voló con una frecuencia de aleteo anormalmente baja, obtuvimos un conjunto de datos final de 72.219 aleteos. NÓTESE BIEN.

A continuación, entrenaron una red neuronal convolucional (CNN) basada en aprendizaje automático utilizando el 85% del conjunto de datos. «Utilizamos un 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, explotando la red para realizar 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 muscular guía. Mientras que el modelo CNN puede predecir el movimiento del ala, el codificador/decodificador puede predecir la acción de músculos rígidos individuales durante el movimiento del ala. Ahora es el momento de comprobar si los datos que predijeron son precisos.