Un nuevo método para automatizar los estudios de comportamiento en aves

Escrito por Gustavo Alarcon-Nieto

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Existe un creciente interés por parte de muchos investigadores por entender cómo el comportamiento social de los animales influencia otros procesos biológicos. Sin embargo, estudiar las interacciones entre múltiples individuos presenta un enorme reto metodológico, ya que el número de potenciales interacciones simultáneas aumenta, casi exponencialmente, con el tamaño del grupo (cada individuo puede interactuar con todos los demás miembros del grupo). Además, la cantidad de datos necesarios para un análisis robusto también se incrementa, haciendo difícil que los registros sean completos y representativos.

Por otro lado, la identificación correcta de cada individuo se hace más complicada en grupos más grandes. Esto hace que deban implementarse marcadores más complejos, como combinaciones de dos o más anillos de colores en lugar de uno solo por individuo. También es importante considerar la escala temporal de la toma de datos, ya que ciertos tipos de comportamiento grupal pueden emerger o cambiar rápidamente, haciendo que las observaciones focales — limitadas en tiempo y sobre unos pocos individuos— sean muchas veces insuficientes para estudiar patrones que representen el comportamiento natural de los animales.

Métodos usados hasta ahora

Las aves han sido ampliamente utilizadas para estudiar comportamiento social, tanto en vida silvestre como en cautiverio. Por ejemplo, los Diamantes cebra (Taeniopygia gutatta) son una especie modelo usada en numerosos estudios y han permitido explorar, entre otros temas, el aprendizaje de canto y el comportamiento de cortejo. Estas aves viven y se reproducen naturalmente en colonias y pueden adaptarse bien a las condiciones de laboratorio. Aún hoy, muchos estudios en esta especie utilizan anillos de colores que se pueden identificar durante observaciones directas o en videos. Sin embargo, esta técnica produce resultados limitados (no siempre es posible ver todos los anillos en un ave) y es muy común cometer errores en la toma o transcripción de los datos (muchas veces asociados a la fatiga del observador).

La utilización de anillos con transmisores pasivos integrados fue el primer avance tecnológico destacado para la colecta de datos de comportamiento. Estos pequeños transmisores generan un código de identificación único al acercarse a una antena y han sido usados para para inferir la composición de grupos de forrajeo en comederos, o para estudiar la transmisión de innovaciones mediante el uso de juegos de inteligencia. Sin embargo, estos marcadores no logran resolver totalmente el problema de las interacciones simultáneas, ya que solo permiten la detección de un solo individuo a la vez.

Aprovechando la tecnología existente

La captura de imágenes — fotos o video—  de los grupos de animales permite registrar múltiples individuos a la vez y calcular las posiciones relativas entre ellos, así como la orientación y postura de cada uno. Es posible alcanzar una alta resolución espacial y temporal (incrementando el número de cámaras y la frecuencia de la captura de imágenes) y obtener información detallada sobre trayectorias de movimiento, o sobre interacciones entre individuos en diferentes contextos. Sin embargo, junto con la posibilidad de obtener datos de alta resolución, viene el problema del almacenamiento de archivos. Además, el proceso para extraer los datos de las imágenes de manera manual es dispendioso y tiene las mismas limitaciones de las observaciones directas.

Raspberry Pi (computador de placa reducida) con módulo de cámara. Esta unidad puede ser montada en el techo de un aviario para capturar imágenes en áreas específicas. En la foto puede verse el montaje utilizado para disipar el calor, ya que fue utilizado en un aviario expuesto al sol, causando el sobrecalentamiento del Raspberry Pi.

Raspberry Pi (computador de placa reducida) con módulo de cámara. Esta unidad puede ser montada en el techo de un aviario para capturar imágenes en áreas específicas. En la foto puede verse el montaje utilizado para disipar el calor, ya que fue utilizado en un aviario expuesto al sol, causando el sobrecalentamiento del Raspberry Pi.

Hallar una solución viable a este problema representa un avance importante. Algunos científicos talentosos han logrado una automatización de las detecciones y la identificación de individuos, aprovechando las diferencias en la coloración natural de algunos animales. Esta técnica funciona muy bien en roedores, peces o insectos, pero solo en ambientes artificiales muy simplificados, y es muy limitada en animales que cambian de aspecto con el tiempo (¡como un calamar o un camaleón!) o cuando las aves cambian de plumaje. La solución para este problema viene de varios estudios en insectos, a los que los investigadores les pusieron marcas pequeñas que pueden detectarse, a parti de imágenes, por un computador.

Una nueva era en la automatización en los estudios de comportamiento social

Diseño de los marcadores utilizados

Diseño de los marcadores utilizados

La posibilidad de utilizar marcadores e identificarlos mediante software presenta una interesante oportunidad para estudios en aves y otros animales. Sin embargo, mientras que los marcadores pueden ser pegados directamente sobre el cuerpo de un insecto, ¿es posible utilizarlos en el cuerpo de un ave durante el tiempo suficiente para un experimento? Nosotros decidimos probar diferentes prototipos diferentes para implementar un método similar en los Diamantes cebra y, luego de una fase de prueba y error, hemos desarrollado una técnica que resulta segura para las aves, y que permite la toma de datos de alta resolución durante más de cuatro meses.

El método consiste en construir una estructura de papel resistente al agua y a las rasgaduras, que se monta a manera de mochila en la espalda del ave usando hilo elástico delgado, alrededor del pecho del ave. El papel doblado forma una montura donde se adhiere una bandeja plástica, impresa en 3D, que lleva un código de barras único, que puede ser leído por un algoritmo luego de la captura de la imagen. El peso total de este marcador es de 0.27 gramos, lo que implica un impacto mínimo en el comportamiento de las aves.

Nuestro método provee innumerables oportunidades para resolver preguntas interesantes sobre vida social de los animales. Potencialmente, es posible seguir cientos o incluso miles de individuos simultáneamente, sin ningún efecto del tamaño de grupo sobre la precisión y calidad de los datos. Además, es posible colectar datos continuamente sin los efectos del cansancio, reduciendo las fuentes de error.

marcadores proceso de montaje en un Diamante cebra

Marcadores proceso de montaje en un Diamante cebra

En nuestro artículo ‘An automated barcode tracking system for behavioural studies in birds’, mostramos cómo el proceso puede ser fácilmente automatizado, lo que permite utilizar el sistema en experimentos complejos con requerimientos de hardware (¡Y costos!) relativamente bajos (Ver video de muestra). Las pruebas realizadas hasta ahora muestran que las aves son capaces de llevar las mochilas continuamente por periodos extendidos, permitiendo el estudio de diferentes etapas del ciclo de vida, incluyendo el desarrollo, formación de parejas, cortejo y/o reproducción. Estamos convencidos de que este método permitirá una mayor calidad en el proceso de investigación, no sólo desde el punto de vista metodológico sino también ético y de bienestar de los animales utilizados. Además, las conclusiones de estos estudios serán también más robustas gracias a la facilidad de obtener mayores tamaños de muestra y de la posibilidad de seguir individuos durante periodos largos y, potencialmente, durante toda su vida.

¿Qué sigue?

Nuestro método puede ser usado más allá de los estudios de comportamiento social. Es posible también estudiar el comportamiento individual con un nivel de detalle difícil de alcanzar son métodos tradicionales. Preguntas sobre preferencias alimenticias y decisiones de forrajeo, así como resolución de problemas y transmisión de información pueden beneficiarse de éste nuevo método. La utilización de iluminación y cámaras infrarrojas permitirá el estudio de comportamientos nocturnos o crepusculares que, tal como ha sido sugerido recientemente, pueden dar pistas para entender patrones de apareamiento fuera de la pareja. La facilidad de implementación, el bajo costo y la adaptabilidad de este método crean numerosas oportunidades para que otros investigadores lo implementen es sus estudios, lo que sin duda traerá mejoras y nuevos desarrollos que permitirán importantes avances en el estudio del comportamiento animal.

Para ver más detalles,  puede leer nuestro artículo Methods in Ecology and Evolution ‘An automated barcode tracking system for behavioural studies in birds’ (en inglés, o el resumen en español).

One thought on “Un nuevo método para automatizar los estudios de comportamiento en aves

  1. Pingback: The Social Life of Birds: A New Technique for Studying Behavioural Ecology | methods.blog

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