Un equipo internacional de investigadores ha construido la mayor base de datos tridimensional de la anatom\u00eda de las hormigas jam\u00e1s reunida, escaneando aproximadamente 2.000 ejemplares en una sola semana al combinar imagenolog\u00eda con sincrotr\u00f3n, rob\u00f3tica e inteligencia artificial. El esfuerzo, descrito en un art\u00edculo de Nature Methods, abarca cientos de especies y g\u00e9neros, y ofrece a los cient\u00edficos una nueva forma de estudiar c\u00f3mo la estructura corporal se relaciona con el comportamiento de la colonia y la historia evolutiva en una de las familias de insectos m\u00e1s diversas del planeta.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
El proyecto, llamado Antscan, es una iniciativa conjunta entre el Instituto de Tecnolog\u00eda de Karlsruhe (Karlsruhe Institute of Technology) en Alemania y el Instituto de Ciencia y Tecnolog\u00eda de Okinawa (Okinawa Institute of Science and Technology) en Onna, Jap\u00f3n. Los investigadores utilizaron micro-TC de sincrotr\u00f3n, una t\u00e9cnica que dispara intensos haces de rayos X a trav\u00e9s de diminutos ejemplares para producir im\u00e1genes tridimensionales de alta resoluci\u00f3n de la anatom\u00eda interna y externa. La l\u00ednea de luz IMAGE<\/a> en la fuente de luz KIT y la estaci\u00f3n TopoTomo<\/a> en la antigua instalaci\u00f3n sincrotr\u00f3n ANKA estuvieron entre los instrumentos usados durante las campa\u00f1as de escaneo.<\/p>\n Lo que distingue este trabajo de estudios morfol\u00f3gicos anteriores es la velocidad bruta. El escaneo tradicional por micro-TC de ejemplares de museo puede llevar horas por cada hormiga individual. El equipo de Antscan, en cambio, escane\u00f3 aproximadamente 2.000 ejemplares en una semana<\/a>, seg\u00fan el Departamento de Entomolog\u00eda de la Universidad de Maryland. Ese rendimiento fue posible porque el flujo de trabajo combin\u00f3 el manejo rob\u00f3tico de ejemplares con el procesamiento automatizado de im\u00e1genes, reduciendo dr\u00e1sticamente la mano de obra humana que normalmente es el cuello de botella en proyectos de imagen a gran escala.<\/p>\n Los ejemplares proced\u00edan de colecciones de museos y de investigaci\u00f3n ya existentes, lo que permiti\u00f3 al proyecto aprovechar d\u00e9cadas de trabajo de campo sin extraer m\u00e1s hormigas del medio natural. Cada individuo se mont\u00f3 en un soporte estandarizado, se carg\u00f3 en un carrusel automatizado y pas\u00f3 por el haz de rayos X en r\u00e1pida sucesi\u00f3n. Las pilas de im\u00e1genes resultantes capturan no solo el tama\u00f1o corporal general, sino tambi\u00e9n estructuras finas como los dientes de las mand\u00edbulas, los segmentos de las antenas y las articulaciones intrincadas que permiten a las hormigas trepar, excavar y pelear.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n Recolectar miles de pilas de im\u00e1genes tridimensionales es solo la mitad del desaf\u00edo. Cada escaneo debe segmentarse, es decir, las partes del cuerpo individuales como la c\u00e1psula cef\u00e1lica, las mand\u00edbulas, las patas y el g\u00e1ster deben separarse digitalmente para que los investigadores puedan medirlas y compararlas. Hacer eso a mano para miles de hormigas llevar\u00eda a\u00f1os. El equipo de Antscan, en su lugar, se apoy\u00f3 en la segmentaci\u00f3n mediante aprendizaje profundo a trav\u00e9s del software Biomedisa<\/a>, una plataforma en l\u00ednea de c\u00f3digo abierto desarrollada originalmente para el an\u00e1lisis de im\u00e1genes biom\u00e9dicas y publicada en Nature Communications.<\/p>\n Biomedisa permiti\u00f3 al equipo entrenar redes neuronales con un subconjunto de escaneos etiquetados manualmente y luego aplicar esos modelos a toda la biblioteca. Una vez entrenado, el algoritmo pod\u00eda identificar y delimitar las estructuras clave en nuevos escaneos con una intervenci\u00f3n m\u00ednima del usuario, acelerando dr\u00e1sticamente la conversi\u00f3n de cortes crudos de rayos X a mallas tridimensionales limpias y etiquetadas. Los investigadores pod\u00edan entonces exportar medidas est\u00e1ndar como el ancho de la cabeza, la longitud de las patas y el volumen total del cut\u00edculo, o derivar descriptores de forma m\u00e1s complejos para an\u00e1lisis evolutivos.<\/p>\n Los escaneos finalizados y los metadatos asociados se almacenan en el repositorio de acceso abierto RADAR del KIT<\/a>, haciendo que todo el conjunto de datos est\u00e9 disponible para su reutilizaci\u00f3n por otros grupos de investigaci\u00f3n. Cada registro vincula el volumen 3D de un ejemplar con informaci\u00f3n como el nombre de la especie, la localidad de colecta y la casta, creando un puente entre la morfolog\u00eda digital y los datos de historia natural tradicionales. Dado que la canalizaci\u00f3n est\u00e1 documentada y es reproducible, otros equipos pueden ampliar la base de datos con escaneos compatibles de colecciones adicionales.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n La base de datos no existe de forma aislada. Un esfuerzo paralelo bajo la Global Ant Genomics Alliance, conocida como GAGA, ha estado ensamblando secuencias gen\u00f3micas de alta calidad para muchas de las mismas l\u00edneas de hormigas. Esos recursos gen\u00f3micos est\u00e1n archivados p\u00fablicamente bajo el BioProject GAGA<\/a> en el Centro Nacional para la Informaci\u00f3n Biotecnol\u00f3gica (NCBI). Un art\u00edculo relacionado revisado por pares sobre la radiaci\u00f3n adaptativa de las hormigas<\/a>, publicado en Cell, proporciona la columna vertebral gen\u00f3mica que se solapa con muchos de los taxones escaneados por Antscan.<\/p>\n Esta convergencia de datos fen\u00f3micos y gen\u00f3micos es lo que le da al proyecto su poder anal\u00edtico. Los investigadores ahora pueden preguntar si cambios gen\u00e9ticos espec\u00edficos se correlacionan con variaciones medibles en las proporciones corporales, el grosor de la armadura o la geometr\u00eda de las extremidades, todo ello sin destruir ejemplares de museo irremplazables. La capacidad de emparejar un modelo tridimensional del exoesqueleto de una hormiga con su genoma secuenciado abre una l\u00ednea directa entre forma, funci\u00f3n e historia evolutiva que antes era dif\u00edcil de estudiar a gran escala.<\/p>\n Por ejemplo, los cient\u00edficos pueden examinar si genes involucrados en la formaci\u00f3n del cut\u00edculo o en el desarrollo muscular muestran cambios repetidos en linajes que han evolucionado de forma independiente estrategias de forrajeo similares. Tambi\u00e9n pueden probar c\u00f3mo los cambios en la organizaci\u00f3n social, como la aparici\u00f3n de castas de obreros altamente especializadas, se reflejan tanto en la variaci\u00f3n gen\u00f3mica como en diferencias sutiles de forma que solo se hacen evidentes en mediciones 3D estandarizadas.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n Los primeros an\u00e1lisis del conjunto de datos de Antscan ya han producido un hallazgo notable. Los investigadores encontraron una fuerte correlaci\u00f3n negativa entre el volumen del cut\u00edculo y el tama\u00f1o de la colonia, seg\u00fan el departamento de inform\u00e1tica de la UMD<\/a>. En t\u00e9rminos sencillos, las especies de hormigas que forman colonias muy grandes tienden a tener obreros individuales m\u00e1s peque\u00f1os, lo que sugiere que la evoluci\u00f3n ha empujado a estos linajes a priorizar la cantidad de obreros por encima del tama\u00f1o de cada uno.<\/p>\n Ese patr\u00f3n no resulta del todo sorprendente para los mirmec\u00f3logos, que desde hace tiempo sospechan tal compensaci\u00f3n. Pero cuantificarlo a trav\u00e9s de cientos de especies con mediciones tridimensionales estandarizadas es novedoso. Estudios previos depend\u00edan de fotograf\u00edas bidimensionales o de mediciones manuales con calibrador de un pu\u00f1ado de ejemplares, lo que hac\u00eda que las comparaciones amplias fueran poco fiables. La biblioteca Antscan, al usar el mismo protocolo de imagen y la misma canalizaci\u00f3n de segmentaci\u00f3n para cada ejemplar, controla la inconsistencia de medici\u00f3n de una manera que los estudios m\u00e1s peque\u00f1os no pueden.<\/p>\n El hallazgo tambi\u00e9n tiene implicaciones ecol\u00f3gicas. El tama\u00f1o de la colonia influye en c\u00f3mo las especies de hormigas forrajean, defienden territorio y responden a la alteraci\u00f3n del h\u00e1bitat. Si la compensaci\u00f3n en el tama\u00f1o corporal es fuerte y predecible, podr\u00eda ayudar a los ec\u00f3logos a modelar c\u00f3mo se reorganizar\u00e1n las comunidades de hormigas conforme los cambios clim\u00e1ticos alteren la disponibilidad de alimento y las condiciones de anidamiento. Con aproximadamente 14.000 especies de hormigas conocidas en todo el mundo, seg\u00fan un comunicado conjunto<\/a> de KIT y OIST, incluso una cobertura parcial de esa diversidad mediante escaneos estandarizados representa un paso significativo hacia predicciones comprobables.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n Gran parte de la atenci\u00f3n inicial sobre Antscan se ha centrado en su mera escala y en las visualizaciones llamativas que se obtienen al animar modelos 3D detallados de hormigas. Pero varios aspectos del trabajo son f\u00e1ciles de pasar por alto. Uno es que el proyecto funciona tambi\u00e9n como banco de pruebas para la imagen de alto rendimiento en las colecciones de historia natural en general. La misma combinaci\u00f3n de micro-TC de sincrotr\u00f3n, rob\u00f3tica y segmentaci\u00f3n basada en IA podr\u00eda aplicarse a otros organismos peque\u00f1os, desde escarabajos hasta plancton marino, convirtiendo los cajones est\u00e1ticos de los museos en archivos digitales din\u00e1micos.<\/p>\nC\u00f3mo la IA convierte los escaneos en datos utilizables<\/h2>\n\n\n
Relacionando forma y genoma<\/h2>\n\n\n
Tama\u00f1o corporal, tama\u00f1o de la colonia y una compensaci\u00f3n evolutiva<\/h2>\n\n\n
Lo que la mayor parte de la cobertura pasa por alto<\/h2>\n\n\n