Muchas obras ficticias como Frankenstein de Mary Shelly han explorado la idea de intercambiar un cerebro de un individuo y transferirlo a un cuerpo completamente diferente. Sin embargo, un equipo de biólogos e ingenieros ahora ha utilizado una variación del concepto de ciencia ficción, a través de la simulación por computadora, para explorar una pregunta central cerebro-cuerpo.
¿Cómo pueden dos personas con extremidades y músculos de tamaños muy diferentes realizar tareas idénticas de motricidad fina igualmente bien, como golpear una pelota de béisbol o enviar un mensaje de texto? ¿Es un ajuste único entre nuestro cerebro y sistema nervioso con el resto de nuestro cuerpo?que controla estos movimientos complejos, o ¿se está haciendo cargo la retroalimentación de nuestros sentidos?
En un nuevo estudio presentado en la revista eLife , los investigadores han modelado computacionalmente los diversos cerebros y cuerpos de una especie de pez débilmente eléctrico, el pez cuchillo de vidrio Eigenmannia virescens, para simular con éxito "trasplantes de cerebro de pescado" e investigar.
Las simulaciones del equipo, que involucraron el intercambio de modelos de procesamiento de información y sistemas motores de los peces, revelaron que después de un salto repentino en el cuerpo diferente de su compañero de tanque, el "Pez Franken" compensó rápidamente el desajuste cerebro-cuerpo aldepende en gran medida de la retroalimentación sensorial para reanudar el control de los movimientos motores finos necesarios para el rendimiento de la natación
Los investigadores dicen que los hallazgos proporcionan nueva evidencia de que los animales pueden apoyarse en la retroalimentación de los sentidos para ayudar a la interacción del cerebro, el cuerpo y el estímulo de su entorno externo para guiar el movimiento locomotor, en lugar de depender de la sintonización precisa de los circuitos cerebrales a la mecánicade los músculos y el esqueleto del cuerpo. El equipo también dice que los hallazgos refuerzan el caso para el diseño futuro de robótica avanzada que emplee sistemas de control de retroalimentación sensorial robustos; tales sistemas pueden adaptarse mejor a eventos inesperados en su entorno.
"Lo que muestra este estudio es el profundo papel de la retroalimentación sensorial en todo lo que hacemos", dijo Eric Fortune, profesor del Departamento de Ciencias Biológicas de NJIT y autor del estudio, financiado por la National Science Foundation. "La gente ha estado tratando dedescubra cómo funciona el movimiento animal para siempre. Resulta que intercambiar cerebros de estos peces es una excelente manera de abordar esta cuestión fundamental y obtener una mejor comprensión de cómo podríamos controlar nuestros cuerpos ".
"El experimento de Frankenfish demuestra una idea común en la teoría del control, que es que muchos de los detalles de cómo la sensación se convierte en acción en un circuito cerrado de retroalimentación no importan", dijo Noah Cowan, profesor de la Universidad John Hopkins JHU Departamento de Ingeniería Mecánica, coautor y colaborador desde hace mucho tiempo de Fortune. "Si bien no funcionaría ningún cerebro aleatorio, el cerebro tiene mucha libertad para controlar el cuerpo".
En el estudio, el equipo se propuso explorar específicamente cómo podría cambiar el rendimiento conductual de los peces si alteran experimentalmente la conexión de los peces entre el controlador, o los sistemas sensoriales y los circuitos neuronales utilizados para procesar la información para generar comandos motores, y plantar, los componentes musculoesqueléticos que interactúan con el entorno para generar movimiento.
Utilizando tanques experimentales equipados con cámaras de alta resolución en el laboratorio, los investigadores rastrearon los movimientos sutiles de tres peces cuchillo de vidrio de diferentes formas y tamaños mientras se desplazaban de un lado a otro dentro de sus refugios tipo túnel, un comportamiento común entre los eléctricos.pescado que incluye ajustes rápidos y matizados para producir información sensorial que los peces necesitan para mantener una posición fija dentro de la seguridad de sus hábitats ocultos, también conocido como mantenimiento de la estación.
El equipo recolectó varias mediciones sensoriales y cinemáticas relacionadas con el ejercicio, en particular, los micromovimientos de las aletas en forma de cinta de los peces que son críticos para la función locomotora durante la actividad de traslado, y aplicó los datos para crear modelos informáticos delcerebro y cuerpo de cada pez.
"Aprovechamos el comportamiento natural de mantenimiento de la estación del animal usando una nueva configuración de realidad virtual, donde podemos controlar los movimientos del refugio y registrar los movimientos de los peces en tiempo real", explicó Ismail Uyanik, profesor asistente de ingenieríaen la Universidad de Hacettepe, Turquía, y ex investigador postdoctoral involucrado en el estudio en NJIT. "Mostramos que los movimientos de la aleta de la cinta podrían usarse como un proxy del controlador neural aplicado por el sistema nervioso central. Los datos nos permitieron estimar eldinámica locomotora y para calcular los controladores que el sistema nervioso central aplica durante el control de este comportamiento ".
"La aleta de la cinta fue la clave de nuestro éxito en el modelado del sistema motor, que otros han estado tratando de hacer usando otras técnicas sofisticadas durante décadas", dijo Fortune. "Pudimos rastrear esta aleta prácticamente invisible y el contador-propagando ondas que crea en cámara lenta usando nuestras cámaras y algoritmos de aprendizaje automático ... Sin esas tecnologías no hubiera sido posible.
"Registramos casi 40,000 movimientos de aletas de cinta por pez durante su traslado para obtener los datos que terminamos usando para ayudar a construir modelos de la planta locomotora y el controlador de cada pez".
Con sus modelos, el equipo comenzó a intercambiar computacionalmente controladores y plantas entre los peces, observando que los intercambios cerebrales prácticamente no tenían ningún efecto en los comportamientos de natación simulados de los modelos cuando incluían datos de retroalimentación sensorial. Sin embargo, sin los datos de retroalimentación sensorial incluidos enEn los modelos, el rendimiento de natación de los peces se redujo por completo.
"Descubrimos que estos peces funcionan mal ... Simplemente no pueden adaptarse a tener el cerebro equivocado en el cuerpo equivocado. Pero una vez que agrega comentarios a los modelos para cerrar el circuito, de repente continúan sus movimientos de natación como sino pasó nada. Esencialmente, la retroalimentación sensorial los rescata ", explicó Fortune.
El equipo dice que los hallazgos podrían ayudar a informar a los ingenieros en el diseño de la robótica futura y la tecnología de sensores, y estudios adicionales similares de la aleta de cinta del pez eléctrico pueden mejorar nuestra comprensión de la fisiología muscular y las complejas relaciones estadísticas entre las activaciones musculares que permiten a los humanos superar el rendimientorobots cuando se trata de controlar el movimiento del cuerpo.
"Los robots son mucho mejores que los humanos para generar velocidades y fuerzas específicas que son mucho más precisas que un humano, pero ¿preferirías darle la mano a un humano o robot? ¿Qué es más seguro?", Dijo Fortune. "El problema es decontrol. Queremos poder hacer robots que funcionen tan bien como los humanos, pero necesitamos mejores algoritmos de control, y eso es lo que estamos tratando en estos estudios ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Nueva Jersey . Original escrito por Jesse Jenkins. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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