El descubrimiento de un órgano de la audición del oído, previamente no identificado, en los saltamontes de América del Sur, podría conducir a avances tecnológicos en la investigación de sensores acústicos bio-inspirados, incluyendo imágenes médicas y el desarrollo de audífonos.

Los investigadores de la Universidad de Bristol y la Universidad de Lincoln, han descubierto la pieza que faltaba del rompecabezas en la comprensión del proceso de transformación de energía en los oídos «no convencionales» de los saltamontes (bushcrickets).

Estos saltamontes tienen cuatro tímpanos (o tambores auditivos), dos por cada pata delantera, pero hasta ahora se desconocía cómo conectaban los diversos órganos para que el insecto pudiera escuchar. Los tímpanos (una membrana que vibra en respuesta al sonido), no conectan directamente con los mecanorreceptores (receptores sensoriales), por tanto, era un misterio la forma en que el sonido se transmitía por el aire hasta las células mecano-sensoriales.

Auspiciado por el Human Frontiers Science Program (HFSP), la investigación se ha desarrollado en el laboratorio del profesor Daniel Robert, miembro de la Royal Society en la Universidad de Bristol. El Dr. Fernando Montealegre-Z, que ahora está en la  facualtad de Ciencias de la Vida de la Universidad de Lincoln, descubrieron un órgano, identificado recientemente, mientras llevaban a cabo una investigación sobre cómo el sistema de tubos del oído del saltamontes transportaba el sonido. Dicha investigación se centró en el saltamontes Copiphora gorgonensis, una especie neotropical del Parque Nacional Natural Gorgona de Colombia, en una isla en el Pacífico. Los resultados sugieren que el oído de este saltamontes opera de manera análoga al de los mamíferos. Un artículo que detallando es descubrimiento está publicado en la revista Science.

El Dr. Montealegre-Z dijo: «Hemos descubierto una nueva estructura que constituye el elemento clave de la audición de estos insectos, pasado por alto en trabajos anteriores. El órgano es una vesícula llena de líquido, que hemos llamado «vesícula auditiva”. Esta órgano auditivo media en el proceso de conversión de la energía acústica (ondas de sonido) en energía mecánica, hidráulica y electroquímica. La integración del láser de vibrometría Doppler y de escáner micro-CT permitió identificar dicha vesícula auditiva y llegar a concluir que, el proceso se basa en un sistema de palanca timpanal análogo a los huesecillos de los mamíferos. Esto sirve para transmitir las vibraciones del aire al fluido (la vesícula auditiva), y también a los mecanorreceptores. Por lo tanto el oído del saltamontes realiza en esta etapa crucial de aire a líquido una conversión de laimpedancia y una amplificación igual que el oído de un mamífero.»

En los mamíferos, la audición se basa en tres etapas de procesamiento: el tímpano recolector de sonidos, el convertidor de impedancia del oído medio y el analizador de frecuencia coclear. El oído del saltamontes realiza estos mismos pasos en el proceso de audición, algo hasta ahora desconocido en los insectos. Este descubrimiento de los mecanismos de conversión y amplificación de la impedancia es un gran paso adelante en la comprensión de los mecanismos de los procesos de audición de los insectos. Este nivel de sofisticación, sensibilidad y funcionalidad podría ser trasladado a una ingeniería de sistemas bio-inspirados. Por ejemplo, los oídos de algunas especies de saltamontes son extraordinariamente sensibles y pueden detectar señales extremas ultrasónicas (más de 130 kHz) a largas distancias. Tal funcionamiento y sensibilidad tendrían el potencial de inspirar a los ingenieros en el diseño y construcción de sensores y activadores acústicos.

El Dr. Montealegre-Z planea continuar su investigación estudiando los oídos de especies del género Arachnoscelis, que usan ultrasonidos extremos (130 – 150 kHz), con el fin de averiguar cómo los saltamontes son capaces de escuchar los demás sonidos de alto rango a largas distancias.

Lo explicaba así: «Estos resultados se obtuvieron de una sola especie, C. gorgonensis, que utiliza moderadas frecuencias ultrasónicas de 23 kHz. Sin embargo, hemos medido a otras especies y hemos descubierto una especie de saltamontes en las selvas tropicales de América del Sur, que emite sonidos a 150kHz. Estos sonidos en estas frecuencias, sufren una atenuación excesiva y no transmiten muy bien en un ambiente de selva tropical, lo que limita la comunicación a larga distancia. Sin embargo, se las arreglan para escucharse unos a otros a distancias mucho mayores. No sabemos cómo lo hacen, pero creo que esta sensibilidad se debe, en parte, a la vesícula auditiva. La Universidad de Lincoln cuenta con un excelente equipo capaz de continuar con esta investigación, en tanto a su vez está colaborando con socios de otras universidades. Estos hallazgos cambian nuestros puntos de vista sobre la audición de insectos y abren un camino para el diseño de sensores ultrasensibles bio-inspirados.»

El profesor Daniel Robert es uno de los cuatro académicos de de la facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad de Bristol que formaban parte del equipo de investigación.

Él declaraba: «El oído de estos saltamontes nos están enseñando que los complejos mecanismos de audición puede tener lugar en pequeñas orejas, así pues, estamos aprendiendo cómo la evolución ha ido perfeccionando micrófonos muy pequeños, eficientes y sofisticados, Ahora sólo tenemos que aprender cómo hacerlos.»

El Dr. Montealegre-Z está planeando una investigación de campo para estudiar saltamontes en su ambiente natural en Colombia (Parque Nacional Natural Gorgona), con colegas de las universidades de Graz en Austria, Bristol y la de Strathclyde. Financiado por una beca de National Geographic, el estudio supondrá la conexión de unos electrodos especiales en el sistema sensorial del saltamontes, que a su vez permitirá a los científicos escuchar los mismos sonidos que los insectos.

El Dr. James Windmill, del Centro de Ingeniería de ultrasonidos de la Universidad de Strathclyde, en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, señalaba que, «los descubrimientos del Dr. Montealegre han supuesto una valiosa contribución a la búsqueda de la próxima generación de tecnologías para la ingeniería de ultrasonidos. Al mejorar nuestra comprensión de la audición de los insectos y de los sistemas sensoriales, podemos incorporar nuevas ideas y técnicas en una amplia gama de tecnologías, por ejemplo en audífonos, sistemas biomédicos de imágenes para hospitales, y en la evaluación no destructiva por ultrasonidos que examinan la integridad estructural de los edificios y puentes. Espero con interés trabajar con el Dr. Montealegre y sus colegas, en la próxima etapa de esta importante investigación, que aúna las ciencias biológicas y la ingeniería a fin de crear los sensores bio-inspirados del futuro.»

El estudio fue apoyado por el HFSP, Biotecnología y Ciencias Biológicas de Investigación (BBSRC), Real Sociedad de Londres y de la Educación del Reino Unido y la India y la Iniciativa de Investigación.

– Imagen: Fernando Montealegre-Z y Daniel Robert

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