¿Cómo nadan los espermatozoides? Lo que sabemos gracias a la visión por computadora

En la actualidad, la tecnología tiene una función muy importante en nuestras vidas. En el área de la investigación científica, es fundamental en el progreso de estudios de todo tipo; un ejemplo es el desarrollo de nuevos métodos y algoritmos de aplicación a la investigación biomédica y biotecnológica, basados en técnicas avanzadas de procesamiento digital de imágenes y visión por computadora.

Dicho de otra manera, cuando se tienen datos masivos en forma de imágenes y se requiere llevar a cabo operaciones parecidas o equivalentes a las que puede realizar el ser humano, pero rápida y eficientemente, a fin de poder comprenderlas y tomar decisiones a partir de su observación, se lleva a cabo un proceso conocido como Visión por Computadora.

En el ámbito de la ciencia, explica Gabriel Corkidi Blanco, coordinador del Laboratorio de Imagen y Visión por Computadora del Instituto de Biotecnología de la UNAM, el análisis por computadora implica un proceso mediante el cual, una máquina especializada ejecuta algoritmos (programas o procesos desarrollados por el humano o por la misma máquina), para ayudar al investigador a interpretar datos masivos que se pueden generar en un experimento científico.

Rapidez y eficiencia

Sin la ayuda de estos procesadores, al humano le tomaría años o quizá toda su vida analizar datos provenientes de los experimentos a gran escala.

Para que una computadora pueda analizar datos requiere, en primer lugar, que éstos estén en un formato que la máquina pueda entender e interpretar. Pueden estar en forma de voz, imágenes, señales eléctricas del cerebro, del corazón, observaciones de comportamiento social, entre otros.

Posteriormente, agrega el especialista, la computadora necesita de programas que tengan la capacidad de reconocer esos datos y procesarlos para extraer de ellos una interpretación resumida de si hubo cambios o efectos entre el antes y el después de aplicar una condición experimental a una población, ya sea de individuos, células, órganos, plantas, moléculas, materiales y más.

Así, a través de la visión por computadora, es posible detectar, ubicar y analizar objetos en el mundo real, para lo cual se requiere que la computadora entienda los objetos que se desea que reconozca. Para lograrlo, se necesita traducir o poner en el lenguaje de la computadora lo que las personas reconocemos como un objeto.

“Por ejemplo, cómo decirle a una computadora qué queremos que reconozca, si en una escena del mundo real una fruta como una manzana tiene las características de calidad necesarias para ser consumida por la población. Si juntamos a varias personas sin explicarles nada sobre la calidad de una manzana y las características que debe de tener para ser consumida, probablemente cada persona tendrá su idea de calidad según su percepción. Una gran cantidad de manzanas sin una calidad mínima para exportación podría pasar la prueba”.

En cambio, si se entrena a las personas en cuanto a características como color, textura, forma, peso, tamaño que una manzana debe tener para considerar que su calidad se aprueba, aún así estas personas tendrían problemas para detectar la fineza de los colores, la exactitud de la textura y forma, entre otros.

De la misma manera, la computadora tiene que entrenarse para reconocer lo que se necesita que reconozca y con qué criterios decidir sobre su calidad. En ese sentido, se requiere de un sensor que traduzca lo que nosotros vemos como una manzana, en un modelo que la computadora pueda entender y procesar.

Apoyo en diversas disciplinas

Una cámara de televisión es uno de estos detectores que traducen una escena del mundo real en un conjunto ordenado de datos numéricos que la computadora puede procesar. Una vez que la computadora puede recibir estos datos, requerimos que pueda identificar y eliminar los objetos que no cumplan con las características que esperamos.

Ahora bien, según la aplicación es el objeto a analizar. En medicina un objeto puede ser lo que se observa en una radiografía o un tipo de lunar en la piel en donde se desea que la computadora ayude a discriminar entre uno inofensivo, uno patológico o uno cancerígeno.

En este momento, con el problema de la pandemia COVID-19, la computadora puede ayudar al médico a discriminar entre un pulmón sano o afectado por el virus. De hecho, existen programas de inteligencia artificial diseñados para lo anterior, en los que se entrena a la computadora con miles o millones de imágenes que ayudan a llevar a cabo estos diagnósticos.

En nuestro campo, menciona Gabriel Corkidi, nos interesan mucho las imágenes microscópicas de diferentes tipos de células que son sometidas a diferentes situaciones experimentales, como la aplicación de diferentes sustancias o fármacos para ver los efectos que éstos producen, y así poder tener elementos para entender de manera objetiva y cuantitativa sus funciones elementales.

Por ejemplo, la aplicación de ciertas sustancias en células como el espermatozoide humano, modifican la forma de su nado, lo que permite desentrañar los elementos celulares que están involucrados en el complejo proceso de la fecundación. Estos conocimientos básicos pueden contribuir a controlar la fecundación tanto para hacerla más eficiente o para inhibirla.

Visualización tridimensional

• Hoy en día gran parte del avance tecnológico en Visión por Computadora es la visualización y análisis de objetos de manera tridimensional, ya que muchas de las escenas de la vida real ocurren realmente en tres dimensiones.

Los sensores tradicionales como cámaras de televisión tienen la capacidad de grabar escenas de lo que llamamos la proyección en dos dimensiones de la escena 3D, esto quiere decir que lo que se graba es como si viéramos con un solo ojo y no con los dos.

Lo anterior produce una proyección de la escena tridimensional en un solo plano. “Si nosotros vemos a través de un solo ojo, no podemos discernir de manera precisa el aspecto de profundidad de la imagen. Entonces ver una imagen plana de una escena tridimensional es una abstracción de esa escena y dista mucho de la realidad cuando se quiere hacer un análisis más real”.

Movimiento de espermatozoides

Una de las investigaciones más relevantes en Visión por Computadora en el Instituto de Biotecnología ha sido el estudio del movimiento de forma tridimensional del espermatozoide humano. Para llevarlo a cabo, desarrollamos un microscopio que es capaz de obtener datos en 4 dimensiones, es decir 3 dimensiones del objeto y la cuarta que es el tiempo. El espermatozoide es un objeto biológico tridimensional y su movimiento ocurre a través del tiempo.

Tradicionalmente, la investigación básica que se ha realizado en esta célula se ha basada en microscopía tradicional que arroja imágenes ‘planas’ de un movimiento que no es plano. Esto ha limitado la interpretación de los resultados que se han obtenido.

Estos hallazgos tienen implicaciones muy importantes en el entendimiento básico de la biomecánica y de la fisiología del espermatozoide humano que llevará a nuevas teorías sobre los aspectos básicos involucrados en la fecundación humana.

Es así, que investigadores del Instituto de Biotecnología de la UNAM y de la Universidad de Bristol (Reino Unido), revelan inéditas características del movimiento del espermatozoide humano al analizarse en tres dimensiones, que cuestionan observaciones y teorías existentes.

La revista Science Advances acaba de publicar el trabajo de estos investigadores en donde se comunica por primera vez, a diferencia de lo históricamente admitido científicamente, que el batido flagelar del espermatozoide humano es asimétrico cuando se observa en tres dimensiones.

Es importante destacar el carácter multidisciplinario que esta investigación tiene, pues colaboran biólogos, matemáticos, físicos e ingenieros. Es gracias a la conjunción de estas disciplinas que ha sido posible llegar a los descubrimientos descritos, los cuales de manera unidisciplinaria no habrían sido posibles.