Nuevo método mide la alimentación en invertebrados pequeños

Medir diferentes cantidades es clave en la ciencia, pero conseguir mediciones exactas puede ser complicado porque todos los dispositivos tienen un margen de error. Este problema es aún más relevante al estudiar criaturas diminutas como mosquitos, moscas o hormigas, que suelen consumir muy pequeñas cantidades de alimento, a veces en el rango de nanolitros. Medir esas cantidades minúsculas puede ser un desafío y normalmente requiere equipo caro que no siempre es adecuado para observar a los animales en su comportamiento natural.

El comportamiento alimenticio es importante porque nos da pistas sobre cómo los animales perciben su entorno, sus preferencias alimentarias y sus Habilidades Cognitivas. Lo que y cuánto come un animal también puede indicar su salud y bienestar. Además, la alimentación es crucial para la investigación en áreas como el desarrollo de mejores métodos de control de plagas y el estudio de la propagación de enfermedades.

Actualmente, una manera común de medir cuánto comen los insectos pequeños es a través de un método llamado ensayo de alimentador capilar. En este método, los científicos miden cuánto alimento líquido se consume de un tubo de vidrio delgado. Esto requiere que los insectos beban del tubo mientras está de pie verticalmente, lo que significa que este método solo funciona para ciertos tipos de animales. Para ayudar a ver cuánto alimento se consume, el líquido a menudo se tiñe, pero esto puede cambiar la forma en que los insectos se comportan y afectar sus tasas de consumo. Además, este método puede verse fácilmente afectado por la evaporación o derrames, lo que lleva a imprecisiones.

Otro método implica pesar a los insectos antes y después de que coman. Este enfoque gravimétrico cuenta cuánto peso ha ganado el insecto como una medida de cuánto alimento ha consumido. Sin embargo, pesar criaturas pequeñas requiere balanzas muy sensibles y caras. También puede ser un proceso complicado, ya que los insectos pueden necesitar ser anestesiados antes y después de comer, lo que puede cambiar su comportamiento.

Algunos investigadores usan tintes o trazadores químicos para ayudar a cuantificar la alimentación, pero estos métodos pueden introducir sus propios problemas. Los tintes pueden alterar cómo se consume la comida y pueden requerir matar al insecto después, lo cual no es ideal para estudiar animales vivos.

Existen algunos sistemas especializados diseñados para abordar estos problemas. Por ejemplo, el sistema flyPAD mide cambios en la capacitancia cuando un insecto toca la comida, ayudando a estimar el consumo basado en cuánto tiempo interactúa con el alimento. Sin embargo, este sistema también es caro y requiere mucho mantenimiento.

Para mejorar estos métodos actuales, hemos desarrollado un nuevo sistema no invasivo para medir cuánto comen los invertebrados pequeños. Muchos insectos y algunos otros animales pequeños expanden visiblemente sus cuerpos cuando comen. Al rastrear esta expansión con el tiempo, podemos estimar el volumen de alimento que ingieren. Técnicas anteriores han usado rastreo en dos dimensiones para hacer estas estimaciones, pero hemos mejorado esto a un sistema tridimensional para mayor precisión.

Nuestro método utiliza un software de código abierto llamado DeepLabCut que nos permite analizar videos de los animales alimentándose. Al rastrear puntos específicos del cuerpo en 3D, podemos crear un modelo de la forma del cuerpo del animal a lo largo del tiempo y medir cualquier cambio en volumen a medida que comen. Este enfoque evita los errores que vienen al intentar estimar el volumen basado en imágenes planas.

#Construyendo el Sistema

Para usar este nuevo sistema de medición de alimentación, hay varios pasos a seguir. Primero, el usuario necesita configurar un sistema de grabación adecuado para el animal que está estudiando. Por lo general, esto implica configurar dos cámaras en diferentes ángulos para capturar tanto vistas superiores como laterales del animal. Las cámaras deben estar sincronizadas para que capturen imágenes al mismo tiempo, permitiendo una reconstrucción 3D adecuada del evento de alimentación.

Una vez que las cámaras están configuradas, el siguiente paso es usar el software DeepLabCut para identificar y rastrear puntos clave del cuerpo del animal en los videos. Esto requiere entrenar el software con imágenes etiquetadas para reconocer diferentes partes del cuerpo. Una vez entrenado, el software puede identificar estos puntos en nuevos videos.

Con los datos rastreados, podemos calcular cambios volumétricos a lo largo del tiempo utilizando diferentes métodos. Nuestro sistema viene con una interfaz gráfica fácil de usar que ayuda a los investigadores a seleccionar los puntos de inicio y fin de un evento de alimentación, facilitando el análisis de los datos. Esta configuración permite calcular tanto la cantidad total de alimento ingerido como las tasas a las que se consume el alimento.

#Configuración para un Seguimiento Exitoso

Para la configuración física, una configuración básica con dos cámaras generalmente es suficiente. Sin embargo, se pueden necesitar más cámaras si el animal se mueve mucho. Es importante calibrar las cámaras utilizando puntos de referencia conocidos para asegurar mediciones precisas en el espacio tridimensional. Esta calibración ayudará a garantizar que el software pueda localizar con precisión los puntos rastreados.

El seguimiento se realiza utilizando el software DeepLabCut, que permite a los investigadores obtener coordenadas tridimensionales precisas de los puntos rastreados. Estas coordenadas se procesan para estimar el volumen de alimento consumido al calcular el volumen de las partes del cuerpo en expansión.

#Estimando Volumen y Tasas de Consumo

Para medir cuánto alimento consume un insecto y la tasa de consumo, aplicamos métodos específicos de estimación de volumen a los datos rastreados. Al determinar cómo cambian los puntos rastreados con el tiempo, podemos reunir tanto la cantidad total de alimento ingerido como cuán rápido se consumió.

El sistema permite a los usuarios visualizar los datos y verificar los eventos de alimentación. Al mover un control deslizante, el usuario puede ver diferentes fotogramas del video y confirmar si el seguimiento y las estimaciones de volumen son precisos. Una vez que se identifica el evento de alimentación, los datos pueden analizarse aún más para calcular variables como la carga del cultivo (la cantidad de alimento consumido) y la tasa de consumo.

#Validando el Nuevo Método

Para confirmar que nuestro nuevo método funciona con precisión, lo probamos con hormigas argentinas, una especie invasiva. Primero, comparamos las estimaciones de volumen del nuevo método con el método tradicional de pesaje para ver cuán de cerca coincidían. También alimentamos a las hormigas con diferentes concentraciones de soluciones de sacarosa para ver cómo esto afectaba su comportamiento alimentario y preferencias.

Los resultados mostraron que nuestras estimaciones de volumen eran bastante consistentes con las medidas de peso, aunque hubo algunas diferencias debido a factores como la evaporación y cómo las hormigas podrían consumir alimento. Notamos específicamente que a medida que la concentración de sacarosa aumentaba, las hormigas tendían a consumir más alimento, pero sus tasas de alimentación disminuían. Este hallazgo se alinea con lo que sabemos sobre el comportamiento de las hormigas: las soluciones más densas tardan más en consumirse.

Además de probar con soluciones de sacarosa, también examinamos cómo reaccionaban las hormigas a soluciones con cafeína. Curiosamente, la cafeína parecía no afectar cuánto comían las hormigas ni su velocidad de alimentación, lo que sugiere que las hormigas no la detectaron o les era indiferente.

#Ventajas y Desafíos del Nuevo Sistema

Este nuevo método presenta varias ventajas para estudiar los comportamientos alimentarios en invertebrados pequeños. Permite a los investigadores cuantificar no solo la ingesta total de alimento sino también la tasa a la que se consume. Dado que se basa en observar cómo se expande el cuerpo de un insecto, evita muchos problemas asociados con los métodos tradicionales, como la necesidad de productos químicos o anestesia.

El enfoque también es relativamente rápido, con tiempos de grabación promedio comparables a métodos anteriores. El procesamiento de estimación de posturas puede llevar algo de tiempo, pero con recursos computacionales adecuados, puede funcionar con mínima intervención humana.

Sin embargo, la precisión del seguimiento puede verse afectada si el animal no está en la posición óptima relativa a las cámaras. Esta limitación puede llevar a la exclusión de grabaciones si los datos no pueden ser analizados con precisión. Para mitigar esto, se podrían agregar cámaras adicionales para permitir mejores ángulos y ayudar a rastrear el movimiento durante la alimentación.

Nuestros experimentos mostraron que, aunque los métodos más tradicionales pueden seguir siendo útiles en algunos contextos, pueden ser lentos y pueden llevar a la pérdida de sujetos debido al estrés causado por la anestesia. En nuestro caso, las hormigas mostraron tasas de alimentación más altas sin ser anestesiadas, lo que refuerza el valor de un enfoque no invasivo.

#Conclusión

El método que desarrollamos para medir la alimentación en invertebrados pequeños proporciona a los investigadores una mejor manera de obtener información sobre el comportamiento alimentario. Es adaptable para varios organismos y podría ayudar en estudios de vectores de enfermedades o en la gestión de especies invasoras.

Como el sistema es menos invasivo, puede ser útil para observar comportamientos naturales en una gama más amplia de animales. El potencial de aplicar esta tecnología no solo a insectos pequeños sino también a animales más grandes y aplicaciones médicas significa que podría ofrecer datos valiosos en diferentes campos de investigación.

Al proporcionar una forma más directa de medir la ingesta de alimentos, este método tiene el potencial de mejorar nuestra comprensión de las preferencias y comportamientos alimentarios, lo cual es crucial tanto para estudios ecológicos como para estrategias de manejo de plagas.