Claves matemáticas de un sexto sentido: el sistema de línea lateral

Los descubrimientos básicos hacen vislumbrar posibles aplicaciones en robótica

Los peces y algunos anfibios tienen una capacidad sensorial única en lo que se llama sistema de la línea lateral. Les permite, en efecto, «tocar» objetos en su entorno sin contacto físico directo o «ver» en la oscuridad. El profesor Leo van Hermmen y su equipo del departamento de física de la Technische Universitaet Muenchen están explorando la base fundamental de este sistema sensorial. Lo que descubran podrá equipar mejor a los robots algún día, por medio de la ingeniería biomimética, para orientarse en su entorno.

Con nuestros sentidos tomamos sólo una pequeña fracción de la información que nos rodea. La luz infrarroja, las ondas electromagnéticas y el ultrasonido son sólo algunos ejemplos de influencias externas que los humanos sólo podemos comprender con ayuda tecnológica de aparatos de medición, mientras que otros animales utilizan órganos sensoriales especiales, su propio equipo biológico, para tal fin. Uno de estos sistemas, que se encuentra en los peces y algunos anfibios, está siendo investigado por el equipo de investigación del profesor Leo van Hemmen, presidente de Biofísica Teórica en TUM, la Technische Universitaet Muenchen.

Incluso en las aguas turbias en las que apenas penetra la luz, el lucio y lucio puede sentir a su presa antes de hacer contacto. Los peces ciegos mexicanos de las cuevas pueden percibir las estructuras de su entorno y pueden evitar los obstáculos sin esfuerzo. Los bagres que están de caza siguen huellas invisibles que los llevan directamente a sus presas. El órgano que hace posible esto es el sistema de línea lateral, que registra cambios en las corrientes e incluso las perturbaciones más pequeñas, aportando un respaldo al sentido de la vista, sobre todo en aguas oscuras o lodosas.

Este sistema de detección a distancia, a primera vista misterioso, se basa en la medición de la distribución de la presión y la velocidad del agua circundante. La hilera de órganos laterales responsables de esto se ubica a lo largo de los lados izquierdo y derecho del cuerpo del pez, y también rodean los ojos y la boca. Consiste de unidaddes gelatinosas, flexibles como banderas, de una décima de milímetro de largo. Estos sensores, llamados neuromastos —que están ubicados directamente en la piel del animal, o justo debajo, en canales que el agua puede penetrar a través de poros—, son sensibles al más mínimo movimiento en el agua. Junto a ellos hay células con pelos similares a los sensores de presión acústica en el oído interno humano. Los nervios envían señales de estas células ciliadas que son procesadas en el cerebro, que localiza e identifica las posibles fuentes de los cambios detectados en el movimiento del agua.

Estos cambios pueden venir de diversas fuentes: un pez nadando que produce vibraciones u ondas que se transmiten directamente al órgano de línea lateral. Los peces que se mueven en bancos pueden reconocer a un atacante cercano y sincronizar su movimiento de natación de manera que se asemejan a un Los peces de cueva de México empujan una ola frontal por delante de sí mismos, que se refleja en los obstáculos. El bagre se aprovecha del hecho de que un pez que nada batiendo su aleta caudal deja una estela de remolinos detrás. Esta denominada «calle de vórtices» persiste por más de un minuto y es capaz de traicionar a la presa.

En los últimos cinco años, Leo van Hemmen y su equipo han estado investigando las capacidades del sistema de lateral en línea y evaluando la potencialidad de traducirlo en una tecnología. ¿Cuán amplio es el rango de funcionamiento de estos órganos sensoriales, y qué detalles pueden revelar acerca de los objetos en movimiento? ¿Qué estímulos recibe el sistema de línea lateral de la senda de otro pez y cómo se procesan estos estímulos? Para llegar al fondo de estas cuestiones, los científicos desarrollaron modelos matemáticos y los compararon con señales eléctricas nerviosas observadas experimentalmente a las que se les llama potenciales de acción. Los biofísicos adquirieron estos datos experimentales —mediciones de la actividad de la línea lateral de órganos en los peces de cueva y ranas con garras— en colaboración con biólogos. «Los sistemas biológicos siguen sus propias leyes», dijo Van Hemmen, «pero las leyes son universalmente válidas dentro de la biología y se pueden describir matemáticamente una vez que se encuentran los correctos conceptos biofísicos o biológicos, y la fórmula correcta».

Los modelos aportaron conclusiones que suenan sorprendentemente intuitivas: el pez puede fijar con precisión las posiciones de otros peces en términos de una distancia que corresponda a su longitud de su propio cuerpo. Cada pez emite información definida y distinguible sobre sí mismo en las corrientes. Así que si, por ejemplo, un pez presa revela su tamaño y forma a un posible depredador dentro del radio de longitud de su cuerpo, éste puede decidir si el ejercicio vale la pena. Este es un hallazgo clave del equipo de investigación de van Hemmen.

Con ésta, el ángulo entre el eje de un pez y un camino de turbulencias en el ahua se puede calcular a partir de las señales que adquiere un sistema en línea lateral. La capacidad pico de este cálculo coincide con lo mejor que es capaz de hacer el sistema nervioso de un pez. Los valores calculados de las señales nerviosas del órgano sensorial de un animal coinciden sorprendentemente bien con la medida real de los impulsos eléctricos que descargan las células nerviosas. «Este sentido de línea lateral me fascinó desde el principio porque es fundamentalmente diferente de los otros sentidos, como la vista o el oído, no sólo a primera vista, sino también en la segunda», dice van Hemmen.»No es sólo que muestra una calidad diferente de la realidad, sino que en lugar de sólo dos ojos u oídos este sentido es alimentado por muchos órganos separados en una línea lateral; desde 180 en la rana a varios miles en un pez, cada uno de los cuales a su vez se compone de varios neuromastos. La integración detrás de ella es un enorme logro».

El procesamiento neuronal y la integración de las impresiones de los diversos sentidos en una cartografía unificada de la realidad es un foco importante para el grupo de van Hemmen. Se están llevando a cabo esta misma investigación fundamental en el estudio de la percepción de infrarrojos de las serpientes del desierto, los sensores de vibración en las patas de los escorpiones y en el oído de las lechuzas.

«La tecnología ha alcanzado a la naturaleza en algunos ámbitos», dice van Hemmen, «pero está muy por detrás en el procesamiento cognitivo de las impresiones sensoriales recibidas. Mi sueño es dotar a los robots de múltiples modalidades sensoriales. En lugar de construir siempre más cámaras, debemos también aportarles sensores adicionales para el sonido y el tacto». Con un sentido basado en el sistema de línea lateral, pero que funcione igual de bien en el aire como bajo el agua, los robots podrían, por ejemplo, moverse con seguridad entre una multitud de personas. Pero dicho sistema también ofrece muchas aplicaciones prometedoras para el agua. Se podrían utilizar robots submarinos para orientarse durante la exploración de inaccesibles sistemas de cuevas y volcanes en alta mar. Los submarinos autónomos podrían localizar, también, los obstáculos que se presneten en agua turbia. Un vehículo subacuático así se está desarrollando actualmente en el marco del proyecto de la UE Cilia, en colaboración con la Cátedra TUM para la orientación y la tecnología de control.

Fuente: Eurekalert. Aportado por Eduardo J. Carletti

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