Solución al misterio de cómo los peces oyen en estéreo

Neurocientíficos han resuelto el misterio de la localización de fuentes de sonido bajo el agua, ausente en los humanos, describiendo el mecanismo auditivo de un pez diminuto en la revista Nature.

Cuando estamos bajo el agua, los humanos no podemos determinar de dónde proviene un sonido. El sonido viaja allí unas cinco veces más rápido que en la tierra. Eso hace que la audición direccional, o localización del sonido, sea casi imposible porque el cerebro humano determina el origen de un sonido analizando la diferencia de tiempo entre su llegada a un oído y al otro.

Por el contrario, los estudios de comportamiento han demostrado que los peces pueden localizar fuentes de sonido como presas o depredadores. Pero ¿cómo lo hacen? Danionella cerebrum, un pez que mide unos 12 milímetros, casi completamente transparente durante toda su vida, nativo de los arroyos del sur de Myanmar. Danionella tiene el cerebro vertebrado más pequeño conocido, pero aún así muestra una serie de comportamientos complejos, incluida la comunicación por sonido. Eso, y el hecho de que los científicos pueden ver directamente dentro de su cerebro (la cabeza y el cuerpo son casi transparentes), lo hacen interesante para la investigación del cerebro.

El profesor Benjamin Judkewitz, neurobiólogo de Charité—Universitätsmedizin Berlin, y su equipo utilizan a los diminutos peces como una ventana a cuestiones fundamentales, como la comunicación entre las células nerviosas.

Su trabajo más reciente está dedicado al desarrollo del sentido del oído y a la cuestión, que lleva décadas en pie, de cómo los peces pueden localizar una fuente de sonido bajo el agua. Los modelos de audición direccional de los libros de texto anteriores no son suficientes cuando se aplican a entornos submarinos.

Desde el canto de las ballenas hasta el trino de los pájaros o un depredador acechando a su presa, cuando el sonido se emite desde una fuente, se propaga al medio que la rodea en forma de oscilaciones de movimiento y presión. Esto se puede sentir incluso colocando una mano sobre el cono de un altavoz.

Se produce la vibración de partículas, el aire adyacente se mueve: esto se conoce como velocidad de partículas. La densidad de partículas también cambia a medida que el aire se comprime. Esto se puede medir como presión sonora.

Los vertebrados terrestres, incluidos los humanos, perciben la dirección del sonido principalmente comparando el volumen y el tiempo en que la presión sonora llega a ambos oídos. El ruido suena más fuerte y llega antes al oído más cercano a la fuente sonora. Esta estrategia no funciona bajo el agua.

Allí el sonido se propaga mucho más rápido y no queda amortiguado por el cráneo. Esto significa que los peces tampoco deberían tener capacidad de audición direccional, ya que prácticamente no hay diferencia de volumen y tiempo de llegada entre sus oídos. Y, sin embargo, se ha observado audición espacial en estudios de comportamiento de varias especies.

"Para averiguar si un pez puede determinar la dirección del sonido y, sobre todo, cómo, construimos altavoces submarinos especiales y reproducimos sonidos cortos y fuertes", explica en un comunicado Johannes Veith, uno de los dos primeros autores del estudio actual.

"A continuación, analizamos con qué frecuencia evita Danionella al altavoz, es decir, reconoce la dirección de donde proviene el sonido". Para los análisis, se utilizó una cámara para filmar a cada pez desde arriba y rastrear su posición exacta. Este método de seguimiento en vivo aportó una ventaja crucial: ahora el equipo podía localizar los ecos y suprimirlos.

Lo que los humanos perciben a través del tímpano es la presión del sonido, no la velocidad de las partículas. Los peces tienen un mecanismo auditivo completamente diferente: también pueden percibir la velocidad de las partículas. Cómo funciona esto exactamente en Danionella fue revelado por imágenes tomadas con un microscopio de escaneo láser especialmente diseñado que escanea las estructuras dentro del oído del pez en un patrón estroboscópico mientras se reproduce un sonido.

Cerca de un altavoz submarino, las partículas de agua se mueven de un lado a otro a lo largo de un eje orientado hacia y desde el altavoz. La velocidad de las partículas se mueve a lo largo de la dirección en la que se propaga el sonido.

Un pez cerca del altavoz también se mueve con el agua, pero las pequeñas piedras en el oído interno conocidas como otolitos se mueven más lentamente debido a la inercia. Esto da como resultado un movimiento minúsculo detectado por las células sensoriales en el oído. El problema es que esto significa que el pez solo puede detectar el eje a lo largo del cual se mueve el sonido, pero no la dirección desde la que proviene. Esto se debe a que el sonido es una forma de oscilación, un movimiento continuo de ida y vuelta.

Este problema se resuelve analizando la velocidad de las partículas en función de la presión sonora actual, una de las diversas hipótesis que intentaron explicar el mecanismo involucrado en la audición direccional en el pasado. Resultó ser la única teoría que encajaba con los resultados de los investigadores.

"La presión sonora pone en movimiento la vejiga natatoria comprimible, que a su vez es reconocida por las células ciliadas del oído interno. A través de este segundo canal auditivo indirecto, la presión sonora proporciona a los peces la referencia que necesitan para la audición direccional. Eso es exactamente lo que predijo un modelo de audición espacial de la década de 1970, y ahora lo hemos confirmado experimentalmente", dice Judkewitz.

El equipo también pudo demostrar que la audición direccional puede ser engañada invirtiendo la presión acústica. Cuando eso sucedió, los peces pudieron ver que la presión acústica era la única que se podía ver.