¿Cómo se mueve un esqueleto? Un nuevo método de seguimiento para cuantificar la cinemática esquelética en roedores de movimiento libre

¿Cómo podemos medir el movimiento de un esqueleto en un animal peludo mientras se mueve por el medio ambiente? Investigadores del Instituto Max Planck de Neurobiología del Comportamiento han desarrollado un método para cuantificar el movimiento esquelético en roedores que se mueven libremente a un nuevo nivel de precisión y detalle.

Se basa en la construcción de un modelo esquelético que calcula el movimiento de las articulaciones óseas 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 de la naturalezaabre una nueva capacidad para leer cómo los animales interactúan con su entorno y comienza a desentrañar la relación entre actividad neuronal y comportamiento complejo 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 mediríamos el movimiento de un esqueleto sin usar rayos X en un animal que corre o salta e interactúa con su entorno? ¿Y por qué sería eso importante?

El estudio del animal que se mueve libremente proporciona información sin precedentes sobre cómo se comportan los animales y cómo toman decisiones, por ejemplo, cuando evitan la depredación, encuentran pareja y crían a sus crías. Si bien muchos estudios han medido el comportamiento animal, faltan estudios que midan la mecánica de cómo se mueven. Pero dado que la actividad en el sistema nervioso central finalmente conduce a decisiones que se promulgan a través de movimientos corporalesMedir estas mecánicas y relacionarlas con la actividad neuronal es esencial para obtener conocimientos profundos sobre función del cerebro.

Sin una máquina de rayos X, analizar los movimientos de huesos individuales es extremadamente desafiante, ya que la oclusión del cabello, la piel y los tejidos blandos superpuestos dificulta la obtención de una medida 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 sido capaz de rastrear los cambios en las posiciones de los huesos y el movimiento de las articulaciones bajo 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 rastrear el esqueleto en 3D para resolver articulaciones únicas en animales sueltos 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 a medida que 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 Tubinga, utilizando imágenes de resonancia magnética de los animales para comparar el modelo ACM con el esqueleto real.

«Nuestro nuevo método es relativamente simple, no tiene ataduras y utiliza cámaras superiores. Resuelve muchos problemas asociados con el seguimiento de roedores que se mueven libremente, especialmente aquellos cubiertos de pelo y cuando el cuerpo cubre las piernas y los pies», dice el Prof. Dr. Jason Kerr, quien dirigió el estudio junto con el Prof. Dr. Jakob Macke de Tubinga.

Uno de los próximos pasos es combinar este enfoque con registros simultáneos de neuronas en el cerebro usando los microscopios multifotónicos montados en la cabeza en miniatura que desarrollaron los investigadores de MPINB. Esto permitiría correlacionar exactamente actividad neuronal con el comportamiento real para averiguar más acerca de cómo el cerebro 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 múltiples animales que interactúan. “Usando nuestro nuevo método, por un lado, obtendremos más información sobre cómo los animales interactúan con su entorno y, por otro, esperamos conocer cómo interactúan los animales entre sí”, dice Jason Kerr.