Capturando movimientos corporales en 3D

El comportamiento de los animales es importante para una amplia gama de disciplinas, desde la neurociencia y la psicología hasta la ecología y la farmacología. Estudiar cuidadosamente el comportamiento de un animal de laboratorio permite a los investigadores modelar la enfermedad humana y medir la eficacia de los nuevos fármacos. Los psicólogos lo observan para entender cómo los animales aprenden y responden a la recompensa y al castigo, mientras que los neurocientíficos lo estudian para entender cómo el cerebro produce movimientos. La dificultad para captar los intrincados detalles del comportamiento natural de un animal ha obligado a los científicos a estudiar tareas muy simples y a menudo poco naturales, dejando abierta la cuestión de si los conocimientos adquiridos pueden realmente conducir a una comprensión general de la función cerebral.

En un artículo publicado en la revista Neuron, unos investigadores de la Universidad de Harvard describen un sistema de monitorización del comportamiento recientemente desarrollado, llamado CAPTURE (continuous appendicular and postural tracking using retroreflector embedding), que combina la captura del movimiento y el aprendizaje profundo para seguir continuamente los movimientos tridimensionales de los animales que se comportan libremente. En el estudio, el autor principal Jesse Marshall, becario posdoctoral del Departamento de Biología Orgánica y Evolutiva de la Universidad de Harvard, y el autor principal Bence Ölveczky, profesor del Departamento de Biología Orgánica y Evolutiva de la Universidad de Harvard, fijaron marcadores en la cabeza, el tronco y las extremidades de las ratas y utilizaron CAPTURE para registrar su comportamiento natural de forma continua durante semanas.

La fascinación de Marshall por el concepto comenzó cuando un estudiante graduado trabajó en un modelo de ratón del Parkinson. "Habíamos desarrollado métodos realmente elaborados para estudiar cómo se altera el cerebro en los ratones parkinsonianos, pero nuestra capacidad para medir sus déficits de comportamiento estaba muy lejos de las formas en que podemos evaluar el impacto del Parkinson en el comportamiento humano", dijo Marshall. "Me quedó claro que una de las principales razones por las que tantos medicamentos probados en ratones no se traducen a los humanos es que nuestra capacidad para medir sus efectos en el comportamiento es bastante limitada".

Marshall se cansó de las dificultades y limitaciones para relacionar la actividad cerebral con el comportamiento del animal. Pero cuando se unió al laboratorio de Ölveczky fue recibido con interés y apoyo. Ölveczky también reconoció la importancia primaria del comportamiento y estaba ansioso por desarrollar nuevas herramientas para medirlo.

"Nuestro laboratorio estudia cómo los movimientos hábiles son aprendidos y generados por el cerebro", dijo Ölveczky. "Tradicionalmente, estos estudios se hacen diseñando tareas específicas y relacionando la actividad cerebral con simples lecturas de comportamiento, es decir, ¿el animal empujó esta palanca? ¿Lamió el animal este puerto? Tales observaciones nos dicen si nuestras ratas resuelven la tarea, pero no dicen nada sobre cómo lo hacen y eso es exactamente lo que nos interesa; cómo el cerebro aprende y controla los movimientos hábiles. Llegar a esto requería lecturas más precisas y sofisticadas del comportamiento".

Sistema CAPTURE. (Foto: BP Ölveczky & JD Marshall)

Marshall investigó varias tecnologías y se decidió por la captura de movimiento, el estándar para medir los movimientos en humanos y una tecnología perfeccionada por los animadores de Hollywood. Pasó los primeros seis meses averiguando cómo colocar marcadores en sus animales. Probó tatuajes, adhesivos y tintes para el pelo, todo sin suerte, antes de decidirse por un método poco ortodoxo: los body-piercings. Trabajando con los veterinarios locales, el equipo diseñó marcadores personalizados hechos de vidrio reflectante especializado que se adhieren a los animales como pequeños pendientes. Marshall fijó estos marcadores en 20 lugares de la cabeza, el tronco y las extremidades del animal para poder reconstruir la posición y configuración tridimensional de las principales articulaciones del animal, así como los movimientos de su cuerpo.

"En contraste con la captura de movimiento tradicional en humanos, que se hace en ráfagas cortas, recogimos datos continuamente, 24 horas al día, 7 días a la semana", dijo Marshall. "Esto nos permitió cuantificar realmente todo lo que las ratas hacen en su vida normal; un atlas del comportamiento".

El equipo luego observó cómo los comportamientos cambian en las enfermedades y en respuesta a las drogas. En el caso de las drogas, administraron cafeína y anfetaminas a los animales. Si bien ambos estimulantes causaron que las ratas se movieran más, lo hicieron de diferentes maneras. Después de la cafeína, los animales corrían y exploraban su jaula como lo hacen los animales normales cuando están muy excitados. Sin embargo, cuando estaban tomando anfetaminas su comportamiento cambió de nuevas y extrañas maneras; los animales corrían en patrones secuenciales repetidos.

El equipo continúa sus estudios combinando CAPTURE con registros neurales para describir la relación entre la actividad cerebral y el comportamiento a través de todo el conjunto de comportamientos naturales que un animal realiza. También están trabajando con Google DeepMind para usar CAPTURE para modelar el comportamiento de los animales usando redes neuronales profundas. Estos estudios ayudarán a modelar la forma en que el cerebro produce el comportamiento y, potencialmente, posibilitarán nuevos avances en la inteligencia artificial.

"Estos desarrollos tecnológicos significan que ahora podemos finalmente abrir la puerta a la comprensión de la organización del comportamiento natural y sus fundamentos biomecánicos y neurobiológicos", dijo Ölveczky. (Fuente: NCYT Amazings)