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De cyborgs a espías / CIENCIORAMA 1
Esta ilustración pertenece a la edición de “Luces del Norte” de Phillip Pullman publicada
por Círculo de Lectores en el 2013 en España, cuyas ilustraciones fueron realizadas por
Zuzanna Celej (http://zuzannacelej.blogspot.com.es/).
De cyborgs a espías
Silvia Zenteno
Los fanáticos, y quizá los no tan fanáticos también, recordarán la escena
de la película La brújula dorada en la que Lyra atrapa a la mosca
mecánica que fue mandada para espiarla (ver figura 1). Según la
explicación de Farder Coram, este insecto robot era controlado por un
espíritu malvado con un antiguo encantamiento africano.
Desafortunadamente nosotros no vivimos en el mismo universo paralelo de
Lyra, donde los espíritus y la magia existen, por lo que debemos recurrir a
la ciencia para producir nuestros propios insectos espía.
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Figura 1. Lyra observando a la mosca espía. Captura de pantalla de la película La brújula
dorada cuyos derechos están reservados por Warner Bros Movies.
Dejando la ficción de lado, desde hace tiempo se han hecho intentos de
construir minirobots espía, pero hasta ahora ninguno ha llegado a ser lo
suficientemente pequeño, hábil y silencioso para la tarea. El robot espía
ideal sería capaz de recargar combustible por sí mismo para tener un
mayor tiempo de operación, poseería una gran capacidad sensorial,
adaptación y flexibilidad en diferentes ambientes y una excelente movilidad,
sería inteligente, ágil, casi imperceptible, dinámico y veloz. Si ustedes
leyeron el artículo “De seres vivos a cyborgs”
(http://www.cienciorama.unam.mx/#!titulo/375/?de-seres-vivos-a-cyborgs),
no les costará imaginar que tenemos un perfecto candidato que no sólo
cumple con el ideal de un espía, sino que además es más barato que
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cualquier otro minirobot creado hasta ahora, por supuesto me refiero a las
robo-cucarachas.
No sólo tienen patas, también alas
En el artículo mencionado se explica cómo cualquiera es capaz de
controlar la dirección en la que camina una cucaracha tan común como lo
es la cucaracha americana a través de estímulos eléctricos artificiales
como se resume en la figura 2. Pero para que un robo-espía cumpla
su función, debe tener una forma fácil de acceder a los lugares, y la
forma más eficaz con la que los insectos lo logran es el vuelo.
Figura 2. Cuando las cucarachas en estado natural reciben un estímulo táctil en la antena,
las neuronas que se encuentran en ella disparan pulsos eléctricos hacia la interneurona
contralateral a la que están conectadas y ésta, a su vez, lleva los pulsos hasta la pata
del lado contrario, haciendo que la cucaracha gire, alejándose del obstáculo detectado
por la antena. En las robo-cucarachas, se insertan electrodos en las antenas que, tras el
comando de un control remoto, transmiten pulsos eléctricos directamente a las neuronas
haciendo pensar a la cucaracha que se ha topado con un obstáculo y obligándola a girar
hacia la dirección deseada. Todos los derechos de la segunda y la tercera imágenes
pertenecen a Graham Murdoch (https://www.behance.net/mmdi)
¿Sería una locura pensar que si podemos controlar la dirección en la que
camina una cucaracha también podríamos controlar su vuelo? Siguiendo el
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mismo principio, es posible, pese a que las vías neuronales que controlan
el inicio y el detenimiento del vuelo aún no se han estudiado bien en las
cucarachas voladoras o en ningún otro insecto. Igual que con la dirección
de avance, el vuelo se puede controlar al estimular los receptores que lo
inician y lo modulan. Estos estímulos pueden ser táctiles, como la
detección de las corrientes de viento, visuales o auditivos.
Sin embargo, el vuelo agrega un nuevo nivel de complejidad, ya que
durante éste las cucarachas no sólo van hacia adelante, a un lado o al
otro, sino que también pueden ir de arriba a abajo, por lo que necesitan
ajustar su orientación en tres dimensiones. Estos parámetros se controlan
mediante la modulación de los movimientos de las alas, usando los
músculos del vuelo, y la forma para comunicarse con ellos es a través de
las interneuronas, que son las que conectan el cerebro con los músculos.
Por ejemplo, cuando las cucarachas se encuentran volando, el cambio de
dirección de la antena desencadena el envío de una serie relativamente
constante de impulsos nerviosos al sistema nervioso central, lo que
presuntamente mantiene la actividad de las neuronas en el aparato de las
alas. De hecho, los movimientos de las antenas generados durante el vuelo
activan las mismas interneuronas que le indican al insecto si debe girar
cuando va caminando; esto indica que dichas interneuronas son
multifuncionales, es decir, capaces de iniciar o controlar más de un
comportamiento.
Debido a esta multifuncionalidad de las interneuronas para dirigir los
músculos de las patas y de las alas, es más difícil controlar el vuelo en
las robo-cucarachas, por lo que se intentó acceder a los controles del
vuelo por otra vía sensorial: la vista. Por cuestiones de fuerza mayor,
literalmente, pues la cucaracha sólo carga hasta 20 veces su peso
corporal y los escarabajos pueden cargar hasta 30 veces su peso lo que
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ofrece más oportunidades de mejora, este experimento se realizó en
robo-escarabajos.
Las cucarachas no son las únicas
Escucharon bien, este sistema de estimulación remota por medio de la
implantación de un chip también se puede aplicar en otros artrópodos que
usan sus antenas para evadir obstáculos, como los grillos o los insectos
palo; y debido a que la base neurofisiológica es similar en otros animales,
como peces o mamíferos, también puede aplicarse a ellos. De hecho, el
primer experimento de control de animales por estimulación eléctrica se
hizo en un perro, cuando en 1896 Julius R. Ewald implantó electrodos en
la corteza cerebral de su mascota y los estimuló mientras lo sacaba a
pasear. En la actualidad, ya existen ratas, tiburones, tortugas
(https://www.youtube.com/watch?v=_5j8GpJbH_0) y hasta palomas
manejadas a control remoto.
Entonces, ¿por qué hacer robots con insectos? A pesar de que se han
hecho muchos estudios de la relación entre el comportamiento y el
circuito neuronal central en mamíferos de las más variadas especies
desde las típicas ratas de laboratorio hasta leones marinos, los
artrópodos son animales avanzados que sirven como modelo para el
estudio de los detalles de la organización neuronal y pueden servir para
inspirar experimentos en animales más complejos.
No es una cucaracha sino un escarabajo, dijo Nabokov
Como mencionaba antes, el puesto de espías fue arrebatado a las
cucarachas por los robo-escarabajos como el que se muestra en este
video: https://www.youtube.com/watch?v=98OuGVnYDik&feature=youtu.be,
en los que se decidió explotar la vía visual para controlar su vuelo, lo que
permite pero también requiere un control más sofisticado.
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En este caso los electrodos se implantan en el tórax y en el cerebro: en
los lóbulos ópticos derecho e izquierdo y entre ambos lóbulos (ver figura
3), ya que las neuronas en ellos responden selectivamente a los estímulos
visuales que simulan el acercamiento de un insecto a algún obstáculo.
Para iniciar el vuelo se dan pulsos con potencial negativo en el electrodo
del tórax, que sirve para hacer tierra, y positivos en los dos lóbulos
ópticos de manera alternada, mientras que para detenerlo se aplica un
solo pulso en el estimulador implantado entre los lóbulos.
Figura 3. Localización de los elementos usados para crear un robo-escarabajo y poder
controlar el inicio, detenimiento y dirección de su vuelo. Las x muestran los lugares de
implantación de los electrodos en el cerebro. Las fotografías se tomaron del trabajo de
Sato, H., et al., 2009.
Para dar giros a la derecha o a la izquierda
(https://www.youtube.com/watch?v=XJ63gRXW0EQ) también se implantan
electrodos en los músculos del vuelo debajo de las alas (ver figura 4).
Estos músculos se pueden contraer o extender cuando el área
correspondiente del sistema nervioso se estimula, pero es más efectivo
estimular directamente los músculos. La dirección del giro es opuesta al
lado del electrodo que es estimulado, porque el ala estimulada aumenta el
número de oscilaciones, y, al igual que en una canoa con remos, el
escarabajo termina girando hacia el lado con movimientos más lentos.
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Figura 4. Los escarabajos no baten directamente sus alas, en cambio, utilizan dos grupos
de músculos que contraen y estiran por turnos para cambiar la forma del tórax y mover
las alas, lo que les permite un movimiento veloz. Cuando los músculos basalares (donde
se colocaron los electrodos en los robo-escarabajos, marcados por las x) y los dorso-
longitudinales están contraídos, los dorso-ventrales se estiran, lo que mantiene el lomo
arriba y las alas abajo, y viceversa.
En los experimentos realizados con robo-escarabajos se vio que para cada
escarabajo hay un umbral de voltaje específico para iniciar el vuelo, ya
que cuando se les aplicaban intensidades por debajo de este umbral sólo
estiraban o contraían las patas. Una vez iniciado el vuelo, el estímulo
persistía de forma natural, indicando que las señales neuronales para
mantener el vuelo continúan después del estímulo artificial.
El señor de las moscas
Aunque se ha conseguido controlar el vuelo de los escarabajos de manera
más precisa, hay una cuestión más, entre muchas otras, que limita el uso
de los robo-insectos voladores como espías: la energía. Aunque los
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insectos son capaces de alimentarse por sí solos para tener la energía
necesaria para moverse, las micropilas del sistema de control remoto que
llevan en la espalda no corren con la misma suerte. Debido al diminuto
tamaño que deben tener para que el insecto las pueda cargar mientras
vuela, su duración es bastante reducida. Es por esto que se crearon
moscas transgénicas manejadas a control remoto capaces de generar
estímulos eléctricos artificiales en neuronas específicas sin electrodos. Esto
se hizo en moscas de la fruta, a través de canales de iones modificados
genéticamente, ya que es el insecto que más se conoce genéticamente
hablando.
Figura 5. En el panel superior se muestra el intercambio de iones negativos por positivos
que se realiza a lo largo de la membrana del axón neuronal, generando el potencial de
acción durante un proceso llamado despolarización. En el panel inferior se muestra el
funcionamiento del canal de iones P2X2 que requiere que se le una el ATP para abrirse y
permitir la entrada de los iones de calcio a la neurona. La segunda imagen fue
modificada de la realizada por Blausen.com staff, "Blausen gallery 2014", Wikiversity
Journal of Medicine, que se está bajo una licencia Creative Commons (BY) 3.0 en:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Blausen_0225_ChemicallyGatedChannel.png.
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Como sabemos, las neuronas funcionan con pulsos eléctricos que ellas
mismas producen sin la necesidad de un electrodo implantado. Estos
pulsos se generan cuando una neurona hace un intercambio de iones a lo
largo del axón (ver figura 5, panel superior), y estos intercambios se hacen
a través de los canales de iones. En el caso de las robo-moscas
transgénicas se introdujo un gen, que no se encuentra de forma natural
en su genoma, que produce un canal de iones especial llamado P2X2. Para
abrirse, este canal requiere de una molécula llamada ATP (ver figura 5,
panel inferior), la cual transporta la energía química que la proteína del
gen introducido requiere para realizar su trabajo. De esta manera, se
induce la introducción de calcio a las neuronas, despolarizando sus
membranas y estimulando los potenciales de acción que no es otra cosa
que la descarga eléctrica de la neurona ante la presencia de ATP.
El ATP es inyectado en el sistema nervioso central de las robo-moscas y
se encuentra encapsulado químicamente para que no genere ninguna
acción sino hasta que le disparen un rayo láser a distancia que lo
desencapsule. Las moscas transgénicas se hicieron para que sólo
expresaran el canal iónico P2X2 en el sistema de fibras gigantes de la
mosca, que es el que induce la respuesta de escape y consiste de dos
interneuronas grandes que excitan los músculos de salto y vuelo en la
mosca.
Aunque sólo entre el 60 y el 80% de las moscas transgénicas saltaron o
hicieron movimientos relacionados con el vuelo, menos de lo que se
consigue con la estimulación eléctrica directa, es destacable el hecho de
que este sistema de control remoto funcione, dadas las complejidades que
debe superar. El ATP encapsulado debe ser estable y difundirse libremente
por todo el cerebro para que haya suficiente sustrato cerca del canal P2X2
cuando se haga la fotoestimulación y el láser debe penetrar eficientemente
la cutícula y el tejido. Probablemente en las moscas que no funciona se
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debe a que en ellas hay concentraciones muy variables de ATP
encapsulado cerca del canal o a que éste no se desencapsula
completamente. Otro problema es la actividad basal del canal, es decir,
cuando éste se abre sin la presencia de ATP, ya que esto provoca que las
neuronas se intoxiquen con el calcio, dando lugar a deficiencias motoras y
a una reducción en la vida de estas moscas. Sin mencionar lo tardado y
un tanto complicado que es aplicar las inyecciones de ATP encapsulado
en el cerebro de las moscas.
Por todo lo mencionado, esta tecnología todavía necesita mejorarse antes
de que pueda convertir a cualquier insecto en el perfecto robo-espía, y
por ahora tiene un uso más real en investigación básica de la
neurociencia de la mosca, por ejemplo, en la definición de los circuitos
neuronales cuya activación provoca un comportamiento específico. No
obstante, no duden que dentro de poco se superarán estas limitaciones y
tendremos que quedarnos bien quietos cada que una mosca vuele cerca
de nosotros.
Figura 6. Finn imaginando a las moscas espía que después descubre que existen de
verdad. Captura de pantalla del capítulo “Dentista” de la serie “Hora de aventura” cuyos
derechos están reservados por Cartoon Network Studios y Frederetor Studios.
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Narco-palomas
Y si ya se ha logrado controlar remotamente el vuelo de varios insectos,
¿por qué limitarse a esas pequeñas criaturas, cuando se podrían usar
especies más grandes como las aves? En 2007, un grupo de científicos
chinos reportó que habían creado las primeras palomas igualitas a las
que tenemos en Coyoacán a control remoto
(https://www.youtube.com/watch?v=aYFR_tu4EpY) al implantar un microchip
directamente en el cerebro de las aves.
En ellas se utilizó el método de navegación de robo-animales basado en
un castigo virtual. Los estímulos eléctricos se daban en los núcleos
correspondientes al núcleo talámico ventral posterolateral y a la amígdala
regiones involucradas en el análisis de la sensación de dolor, de
emociones como el miedo y de la respuesta ante el peligro para guiar
su comportamiento y su actividad. Las palomas cambiaban de dirección
debido a la sensación imaginaria de daño dependiendo de los sitios en los
que se realizaba la estimulación; giraban a la izquierda o derecha o
volaban hacia el frente cuando los núcleos contralaterales se estimulaban
respectivamente, al igual que las cucarachas cuando se estimulan sus
antenas.
Y aunque las robo-palomas son demasiado grandes e indiscretas para ser
usadas como espías, su tamaño les otorga la ventaja de poder cargar
varios gramos extra de lo que sea. Probablemente los narcotraficantes y
sus clientes ya les estén echando el ojo encima como una alternativa para
evitar que sus transacciones sean descubiertas por las autoridades
(http://www.eluniversal.com.mx/articulo/mundo/2015/08/12/reos-entrenan-
paloma-para-transportar-droga).
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Por cielo, tierra y mar
Finalmente, porque el espionaje no se limita a lo que ocurre sobre el nivel
del mar, la marina de EUA, que hasta ahora ha usado delfines entrenados
para tomar fotografías submarinas de aguas enemigas o detectar
explosivos, está muy interesada en los robo-tiburones, pues “serían más
baratos y no se correría el riesgo de que desertaran en medio de una
misión por ser demasiado inteligentes para controlarlos”, sin mencionar
que se ahorrarían el entrenamiento.
Figura 7. Tiburón perro, especie usada para los robo-tiburones. Esta fotografía se
encuentra bajo dominio público.
Sin embargo, parece ser que la marina gringa, digo estadounidense
antes de que las editoras me censuren, tendrá que esperar, pues
aunque se han obtenido resultados bastante favorables al conectar
electrodos en la corteza olfativa de tiburones perro, lo que los hace girar
en dirección a un olor de sangre imaginario un olor al que no se
pueden resistir, no se sabe exactamente qué neuronas se están
estimulando. Lo más recomendable será esperar, como con los otros
biorobots, antes de poder usarlos eficientemente como espías.
Bibliografía especializada
1. Burdohan J.A. y Comer C.M. “Cellular organization of an antennal
mechanosensory pathway in the cockroach Periplaneta Americana”. Journal
of Neuroscience 16: 5830–5843 (1996).
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2. Sato H., Berry C.W., Peeri Y., Baghoomian E., Casey B.E., Lavella G.,
VandenBrooks J.M., Harrison J.F. y Maharbiz M.M. “Remote radio control of
insect flight”. Neuroscience 3:24 (2009).
3. Lima S.Q., y Miesenböck G. “Remote control of behavior through
genetically targeted photostimulation of neurons”. Cell 121:141-152 (2005).
4. Huai R., Yang J., Wang H. y Su X. “A new robo-animals navigation
method guided by the remote control”. International Conference on
Biomedical Engineering and Informatics, Qingdao, China, 1–4 (2009).
