El doctor Pablo Oteíza, del Departamento de Biología Celular y Molecular de la Universidad de Harvard, describió las bases sensoriales y conductuales de la navegación animal en flujos. Estos estudios pueden tener importantes implicaciones tanto en neurociencia como en robótica.

“A novel mechanism for mechanosensory-based rheotaxis in larval zebrafish” es el nombre del paper que, según señala su propio autor, “explica cómo un animal puede responder a una corriente de agua en la oscuridad. Esto suena relativamente simple, pero en realidad es bastante más complejo. Si un animal –en este caso, una larva de pez cebra- se encuentra inmerso en un flujo de agua, la corriente tenderá a arrastrar al animal ‘río abajo’, un desplazamiento que el pez puede fácilmente percibir través de su sistema visual”.

Para explicarlo, compara esta situación con una de nuestra cotidianeidad: “Algo similar ocurre cuando uno está sentado en un tren y éste empieza a moverse: si lo imaginamos, en algún momento el paisaje fuera del tren comienza a pasar frente a nuestros ojos y, a raíz de esto, sabemos que el tren se está moviendo. Sin embargo, en la ausencia de estímulos visuales, el tren se podría mover en cualquier dirección y a cualquier velocidad sin que nosotros nos pudiéramos dar cuenta. Sin el ‘flujo óptico’ del paisaje en la ventana, nuestro marco de referencia es el interior del tren, y como nuestro cuerpo se mueve a la misma velocidad que éste no hay forma de que sepamos que se está moviendo. En otras palabras, el interior del tren es nuestro marco de referencia y en relación a este marco no hay movimiento alguno. Lo mismo ocurre en el caso de pez. En la ausencia de estímulos visuales, el marco de referencia del animal es el flujo de agua en el cual está inmerso, y ya que tanto el agua como el pez se mueven a la misma velocidad, sería físicamente imposible que el pez pueda percibir la corriente”.

A pesar de esto, añade, numerosos animales acuáticos se orientan y nadan en contra de flujos de agua; es decir, tratan de no ser arrastrados por la corriente en una conducta conocida como rheotaxis. “Incluso peces que viven en condiciones de muy poca luminosidad, en aguas extremadamente turbias o que naturalmente no poseen ojos pueden ejecutar esta conducta sin mayores problemas. Entonces la pregunta era bien simple: ¿cómo lo hacen?”, indica el investigador.

A favor o en contracorriente

De esta forma, el doctor Oteíza señala que sus experimentos demostraron que, en ausencia de marcos de referencia visuales, la larva del pez cebra ejecuta rheotaxis usando su línea lateral –que es un conjunto de órganos mecano-sensitivos ubicados en la superficie del pez- para ‘leer’ gradientes de velocidad en el flujo. “Para cualquier fluido en contacto con una superficie estática, como podría ser la ribera de un río o una roca, por ejemplo, las moléculas de agua más cercanas a esta superficie tienden a adherirse a ella y, por lo tanto, a desplazarse más lentamente. A su vez, estas moléculas hacen también más lentas a sus vecinas, lo que genera un gradiente de velocidades en el cual el flujo se desplaza más lentamente mientras más cercano esté a una superficie estática. Esto hace que, por ejemplo, en un río el flujo de agua sea muy lento en las orillas y muy rápido en el centro. A su vez, estos gradientes de velocidad tenderán a hacer rotar cualquier objeto, como podría ser el cuerpo de una larva de pez cebra que se encuentre inmerso en ellos. Si por ejemplo la cabeza del pez se encuentra cerca de la ribera izquierda del río y la cola más cerca del centro, el gradiente de velocidad generará un flujo rotacional alrededor del cuerpo del pez y su consecuente rotación en el sentido de las agujas del reloj”.

Basándose en lo anterior, sus análisis les permitieron describir en un simple conjunto de reglas, un algoritmo, mediante el cual la larva de pez cebra ejecuta la rheotaxis. “Este algoritmo conductual señala que, si el pez se desplaza de una zona de alta magnitud a una zona de baja magnitud de gradiente, el animal simplemente sigue nadando en la misma dirección. En cambio, si se desplaza desde una zona de baja a una zona de alta magnitud de gradiente, el pez ejecuta un giro en la dirección del flujo rotacional alrededor de su cuerpo. En términos de las posibles aplicaciones de estos descubrimientos, el doctor Oteíza agrega que “a través de modelos computacionales pudimos demostrar que este algoritmo es capaz de generar la conducta por sí solo. Esto implica su posible utilidad en el desarrollo de agentes robóticos que pueden navegar flujos, ya sea agua o aire, en ausencia de referencias visuales. Es interesante imaginar drones que, mediante este algoritmo, puedan navegar a través de edificios, tractos respiratorios, cañerías y/o vasos sanguíneos”, concluye el investigador.

Conocer la actividad cerebral mediante la conducta

Además, indica, este trabajo abre una serie de posibilidades en el campo de la neurociencia. “A pesar de que el estudio de neuronas individuales o de grupos neuronales específicos ha generado fundamentales avances en las neurociencias, la incapacidad de registrar la actividad del cerebro completo en tiempo real ha impedido un verdadero entendimiento de este órgano. En los últimos años, sin embargo, nuevas herramientas genéticas y de microscopía, especialmente en el pez cebra, han permitido registrar la actividad de prácticamente todo el cerebro en menos de un segundo. Aunque esto representa el sueño cumplido de cualquier neurocientífico de sistemas, los primeros resultados de estas técnicas pusieron rápidamente de relieve la enorme complejidad del sistema nervioso central y las dificultades para darle un sentido biológico a los datos. Entonces, en mi opinión y la de muchos otros, para justificar estos avances técnicos y finalmente transformar datos en conocimiento, es necesario basar nuestros análisis en la principal consecuencia de la actividad cerebral: la conducta animal. En resumen, si el animal hace algo, necesariamente debe existir una estructura o dinámica neuronal que sea responsable de ese algo. Entonces, e inspirándonos en la neurotología más clásica, a partir de la descripción algorítmica de la conducta podemos construir un modelo predictivo de los elementos neurales responsables de esta conducta. A este modelo le llamamos ‘el detector de rotación’ –the curl detector- y actualmente estamos utilizando las técnicas de registro a nivel del cerebro completo para encontrarlos. ¡¡Eso va a estar entretenido!!”

El doctor Oteíza aclara que la totalidad de este trabajo fue realizada en el laboratorio del doctor Florian Engert en Harvard. “Allí conté con la invaluable colaboración de Iris Odstrcil, una talentosísima estudiante de doctorado; Ruben Portugues, un post-doctorando con un impresionante background en física y matemáticas; George Lauder, un reconocido profesor de Ictiología en el Museo de Zoología Comparada y del mismo Florian, quien generosamente me abrió las puertas de su laboratorio y me dio la más absoluta libertad para trabajar en lo que yo quisiera por más de seis años.

Usted realizó su tesis de pregrado con el doctor Manuel Kukuljan y su doctorado con el doctor Miguel Concha. ¿Cómo fue la influencia de esos investigadores y de nuestra institución en su formación?

Originalmente estudié Medicina Veterinaria en la Universidad de Chile, y en el momento en que tenía que realizar mi tesis de pregrado había dos opciones: un hospital veterinario ó un laboratorio de investigación. En ese momento yo ya tenía claro que el ejercicio de la medicina no era lo mío, así que la decisión no fue muy difícil de tomar. Y tuve suerte, porque al visitar el laboratorio del doctor Manuel Kukuljan en la Facultad de Medicina, la pura “onda” del lugar me hizo decidir en menos de dos minutos que allí era donde quería quedarme. Entre Manuel y Patricio Olguín, que en ese tiempo era estudiante de doctorado y hoy también es un profesor en la Facultad de Medicina de la Universidad de Chile, me enseñaron prácticamente todas las bases del quehacer científico. Luego de esto, y de mis primeros viajes al exterior, ya tenía la idea de trabajar con el pez cebra y Miguel Concha, quien en esa época venía llegando de un exitoso post-doctorado en Londres me pareció la mejor alternativa. Tomé una clase con él, y rápidamente decidimos hacer un par de experimentos, los que terminaron transformándose en mi tesis de doctorado. En este proceso también jugó un rol fundamental Carl-Philipp Heisenberg, a quien visité en su laboratorio del Instituto Max Planck de Biología Celular y Genética en múltiples ocasiones.

¿Cómo valora usted que esta investigación haya sido portada de Nature?

Yo feliz que mi paper lo vea más gente, pero creo que hay que ser consciente de que tiene un componente azaroso gigantesco. La calidad de la ciencia que me ha tocado ver en Chile, Alemania o Estados Unidos es en general bastante parecida, y terminar siendo publicado en una revista con mayor o menor impacto tiene que mucho que ver con política y con el azar de encontrar algo nuevo. Yo tuve la suerte de trabajar en un lugar famoso, toparme con una pregunta interesante y de terminar encontrando algo novedoso. Eso está muy bien, pero también hay científicos tremendamente capacitados que no han tenido esa suerte y que por lo tanto puede que no tengan la oportunidad de tener sus propios laboratorios en el futuro. Esto implica que en cierto momento nosotros, deberíamos, como comunidad científica, establecer métodos más justos para juzgar la calidad de nuestro trabajo. Dicho eso, igual es cool tener la portada de Nature!!

Finalmente el doctor Oteíza explica que se encuentra postulando a una serie de posiciones para instalar su propio laboratorio. “Como mi pareja ya tiene un trabajo en Alemania, la primera prioridad sería conseguir algo allá. Sin embargo, tampoco estamos cerrados a otras alternativas; la vida académica implica, para bien y para mal, la necesidad de moverse constantemente”.

Por: Cecilia Valenzuela León
Publicado en U. de Chile