Cómo se mueven las estrellas de mar sin cerebro? La respuesta podría tener un impacto en la robótica y más

¿Has visto alguna vez moverse a una estrella de mar? Para muchos de nosotros, las estrellas de mar parecen inmóviles, como una roca en el fondo del océano, pero en realidad, tienen cientos de pies tubulares unidos a su vientre. Estos pies se estiran y se contraen para adherirse al terreno accidentado, agarrarse a las presas y, por supuesto, moverse.

Cualquier pie tubular de una estrella de mar puede actuar de forma autónoma en respuesta a los estímulos, pero acoplados, pueden sincronizar su movimiento para producir un movimiento de rebote, su versión de correr. Durante años, los investigadores se han preguntado cómo consigue exactamente una estrella de mar esta sincronización, dado que carece de cerebro y tiene un sistema nervioso completamente descentralizado.

La respuesta, de los investigadores de la Escuela de Ingeniería Viterbi de la USC, se ha publicado recientemente en el Journal of the Royal Society Interface: la estrella de mar acopla una orden de direccionalidad global de un «brazo dominante» con respuestas individuales y localizadas a los estímulos para conseguir una locomoción coordinada. En otras palabras, una vez que la estrella de mar proporciona una instrucción sobre la forma de moverse, los pies individuales averiguan cómo lograrlo por sí mismos, sin más comunicación.

Los investigadores, entre los que se encuentran la profesora Eva Kanso del Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de la USC Viterbi y Sina Heydari, candidata al doctorado en la USC Viterbi, se unieron a Matt M.D. de la USC, se unieron a Matt McHenry, profesor asociado de ecología y biología evolutiva de la Universidad de California, Irvine; Amy Johnson, profesora de biología marina del Bowdoin College; y Olaf Ellers, investigador asociado de biología y matemáticas del Bowdoin College.

El trabajo se basa en un modelo jerárquico de comportamiento ya existente, pero va más allá a la hora de explicar qué parte de la locomoción de las estrellas de mar ocurre de forma local frente a la global.

«El sistema nervioso no procesa todo en el mismo lugar y al mismo tiempo, sino que se basa en la idea de que la estrella de mar es competente y lo resolverá», dijo Kanso, becario Zohrab A. Kaprielian en Ingeniería. «Si un pie tubular empuja contra el suelo, los demás sentirán la fuerza. Este acoplamiento mecánico es la única forma en la que un pie tubular comparte información con otro»

El sistema nervioso de una estrella de mar se caracteriza por un anillo nervioso que rodea su boca y se conecta a cada brazo individual a través de un nervio radial. Los músculos de cada pie tubular son estimulados por neuronas conectadas a los nervios radial y anular.

Todos los pies pisan en la misma dirección mientras se arrastran, pero su movimiento no está sincronizado. Sin embargo, cuando logran la marcha de rebote, las estrellas de mar parecen coordinar decenas de pies en dos o tres grupos sincronizados. El equipo de investigación, dirigido por Kanso, estudió ambos modos de movimiento y la transición entre ellos. El resultado es un modelo que describe en qué medida la locomoción de una estrella de mar está determinada por la respuesta sensorial-motora local a nivel de pies de tubo frente a las órdenes sensoriales-motoras globales.

En el mundo animal, el comportamiento se describe a menudo mediante uno de los dos modelos predominantes de locomoción; el comportamiento, como el vuelo de los insectos, es el resultado de la retroalimentación sensorial que viaja a través de un sistema de procesamiento central, que envía un mensaje que activa una respuesta, o es el resultado de respuestas individuales completamente descentralizadas a la información sensorial, como en los bancos de peces o las colonias de hormigas.

Ninguno de estos modelos parece describir el movimiento de una estrella de mar.

«En el caso de la estrella de mar, el sistema nervioso parece basarse en la física de la interacción entre el cuerpo y el entorno para controlar la locomoción. Todas las patas tubulares están unidas estructuralmente a la estrella de mar y, por lo tanto, entre sí»

De este modo, existe un mecanismo para que la «información» se comunique mecánicamente entre las patas tubulares. Un pie tubular individual sólo tendría que percibir su propio estado (propiocepción) y responder en consecuencia. Como su estado está acoplado mecánicamente a otros pies tubulares, éstos trabajan juntos. Cuando los pies tubulares comienzan a moverse, cada uno produce una fuerza individual que se convierte en parte del entorno sensorial. De esta manera, cada pie de tubo también está respondiendo a las fuerzas producidas por otros pies de tubo y eventualmente, establecen un ritmo entre sí.

Esto es similar a otros modelos mecánicos de coordinación. Por ejemplo, tome un conjunto de metrónomos mecánicos, dispositivos utilizados para ayudar a mantener el ritmo o el tiempo para un músico. Se puede poner en marcha un conjunto de 10 en todas las fases diferentes, apoyándolos en la misma superficie plana. Con el tiempo, se sincronizarán. En juego está el efecto de acoplamiento mecánico observado en la estrella de mar; cada metrónomo está interactuando mecánicamente con las fases creadas por los otros metrónomos y, como tal, se está «comunicando» eficazmente con los otros metrónomos hasta que empiezan a latir en ritmo y sincronía completos.

Cómo el comportamiento de las estrellas de mar puede ayudarnos a diseñar sistemas robóticos más eficientes

Entender cómo un sistema nervioso distribuido, como el de una estrella de mar, logra movimientos complejos y coordinados podría conducir a avances en áreas como la robótica. En los sistemas robóticos, es relativamente sencillo programar un robot para que realice tareas repetitivas. Sin embargo, en situaciones más complejas en las que se requiere una personalización, los robots se enfrentan a dificultades. ¿Cómo pueden diseñarse los robots para aplicar las mismas ventajas a un problema o entorno más complejo?

La respuesta podría estar en el modelo de la estrella de mar, dijo Kanso. «Utilizando el ejemplo de una estrella de mar, podemos diseñar controladores para que el aprendizaje se produzca de forma jerárquica. Hay un componente descentralizado tanto para la toma de decisiones como para la comunicación con una autoridad global. Esto podría ser útil para diseñar algoritmos de control para sistemas con múltiples actuadores, en los que estamos delegando gran parte del control a la física del sistema -el acoplamiento mecánico- en lugar de la entrada o la intervención de un controlador central».

A continuación, Kanso y su equipo estudiarán cómo surge el comando de direccionalidad global en primer lugar y qué sucede si hay estímulos que compiten entre sí.