¿Cómo se mueve un esqueleto? Un nuevo método de seguimiento para cuantificar la cinemática esquelética en roedores que se mueven libremente

¿Cómo medir el movimiento del esqueleto de un animal peludo a medida que se desplaza por su entorno? Investigadores del Instituto Max Planck de Neurobiología del Comportamiento han desarrollado un método para cuantificar el movimiento esquelético en roedores que se mueven libremente con un nuevo nivel de precisión y detalle.

Se basa en la construcción de un modelo esquelético que calcula el movimiento de las articulaciones de los huesos utilizando principios anatómicos básicos, como los límites de rotación de las articulaciones y las velocidades a las que se pueden mover los cuerpos. Este enfoque, publicado en métodos naturalesabre una nueva capacidad para leer cómo los animales interactúan con su entorno y comienza a desentrañar la relación entre actividad neuronal y comportamientos complejos como la toma de decisiones.

¿Alguna vez has pensado en cómo se mueve tu esqueleto a lo largo del día? Cuando pensamos en esta pregunta, inmediatamente nos vienen a la mente imágenes de rayos X. Pero, ¿cómo medir el movimiento de un esqueleto sin utilizar rayos X en un animal que corre o salta e interactúa con su entorno? ¿Y por qué importaría eso?

Estudiar a los animales que se mueven libremente proporciona una visión incomparable de cómo se comportan los animales y toman decisiones, por ejemplo, cuando evitan la depredación, encuentran pareja y crían a sus crías. Si bien muchos estudios han medido el comportamiento de los animales, faltan estudios que midan la mecánica de su movimiento. Pero como la actividad en el sistema nervioso central finalmente conduce a decisiones que son implementadas por movimientos corporalesmedir estos mecanismos y relacionarlos con la actividad neuronal es esencial para obtener un conocimiento profundo sobre función del cerebro.

Sin una máquina de rayos X, el análisis de los movimientos de los huesos individuales es extremadamente difícil, ya que la oclusión del pelaje, la piel y los tejidos blandos complica la medición del movimiento esquelético. Recientemente, varios métodos avanzados de aprendizaje automático han podido medir con precisión la pose de un animal e incluso los cambios en la expresión facial de un animal; sin embargo, hasta ahora, ninguna de las técnicas existentes ha podido rastrear los cambios en la posición de los huesos y el movimiento de las articulaciones debajo de la superficie visible del cuerpo.

Investigadores del Departamento de Comportamiento y Organización Cerebral del Instituto Max Planck de Neurobiología del Comportamiento en Bonn (MPINB), dirigidos por el Prof.Dr. Jason Kerr, ahora ha desarrollado un método basado en videografía para el seguimiento esquelético 3D de resolución de una sola articulación en animales sin ataduras mientras interactúan con su entorno.

Su modelo anatómicamente restringido (ACM) se basa en un esqueleto anatómicamente fundamentado que infiere la cinemática esquelética de un animal cuando se mueve libremente. A partir de estos datos, fue posible medir el funcionamiento interno de un esqueleto, momento a momento, mientras los animales saltaban, caminaban, se estiraban y corrían.

Este nuevo enfoque se puede aplicar a varias especies de peludos como ratones y ratas de diferentes tamaños y edades. Para asegurarse de que los datos fueran correctos, los investigadores trabajaron con colegas del Instituto Max Planck de Cibernética Biológica y el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Tübingen utilizando resonancias magnéticas de los animales para comparar el modelo ACM con el esqueleto real.

“Nuestro nuevo método es relativamente simple, sin ataduras y utiliza cámaras superiores. Resuelve muchos de los problemas asociados con el seguimiento de roedores que se mueven libremente, especialmente aquellos cubiertos de pelo y donde el cuerpo cubre las piernas y los pies”, explica el profesor Dr. Jason Kerr, quien dirigió el estudio junto con el profesor Jakob Macke de Tübingen.

Uno de los siguientes pasos es combinar este enfoque con registros simultáneos de neuronas en el cerebro utilizando los microscopios multifotónicos montados en la cabeza en miniatura que han desarrollado los investigadores de MPINB. Esto se correlacionaría exactamente actividad neuronal con el comportamiento real para aprender más sobre cómo el cerebro incluso controla comportamiento.

Los investigadores también aplicarán su nuevo método para medir la cinemática del movimiento en otras especies animales en entornos más naturales y simultáneamente en varios animales que interactúan. “Gracias a nuestro nuevo método, por un lado, comprenderemos mejor cómo interactúan los animales con su entorno y, por otro lado, esperamos obtener conocimientos sobre cómo interactúan los animales entre sí”, explica Jason Kerr.