¿Por qué los pájaros carpinteros resisten la lesión por impacto en la cabeza?

Autor:

Luz Pérez Túlich

Laboratorio de Ingeniería de Tejidos y Biología Sintética

Departamento de Bioingeniería

lperez@utec.edu.pe

Los pájaros carpinteros son unas aves que tienen un tamaño que varía entre 20 y 60 cm, poseen un fuerte pico el cual usan para golpear los troncos de los arboles a una velocidad de 6 m/s con una fuerza de desaceleración en cada picotazo 1,000 veces la de la gravedad, y no sufren injuria cerebral, motivo por el cual el pájaro carpintero es usado como modelo para la estrategia de mitigación de  los impactos producidos en lesiones cerebrales traumáticas y en la encefalopatía traumática crónica o como modelo para el desarrollo de equipos de seguridad deportiva como como cascos de fútbol.

El pájaro carpintero tiene un cráneo que pesa el 1% de su peso corporal, compuesto de huesos esponjosos con cámaras que se encuentran llenas de aire que amortiguan el impacto, un pico robusto y puntiagudo, un hueso hioides inusualmente largo ya que se origina en el dorso del maxilar, pasa a través de la fosa nasal derecha, se divide en dos partes entre los ojos y luego se arquea sobre la parte superior del cráneo y alrededor del occipucio pasando a ambos lados del cuello, avanzando a través de la mandíbula inferior, y uniéndose en uno nuevamente debajo de la frente, sirviendo como cinturón de seguridad, poseen además un espacio subdural estrecho y poco líquido cefalorraquídeo (LCR), cerebro relativamente pequeño y liso especialmente orientado para permitir áreas de contacto más grandes dentro del cráneo, lo cual evita que el cerebro sufra conmoción con los golpes.

Imagen 1: Modelos computacionales 2D de (A) pájaro carpintero, (B) humano y (C) pájaro carpintero simplificado.

 Fuente: Ganpule et al.

Ganpule et al. estudiaron la biomecánica de un pájaro carpintero durante el picoteo utilizando un modelo de cabeza bidimensional, simulando que la velocidad de impacto al momento del picoteo era de 1,4 m/s y el ángulo entre borde suprior del pico y una tabla de madera era de 79°, haciendo modelos de cabeza del pájaro carpintero y humana a partir de imágenes médicas, los cuales fueron sometidos a la cinemática de la cabeza durante el picoteo. Las tensiones en el cerebro del pájaro carpintero son más pequeñas en un factor de hasta seis en comparación con un cerebro humano. Al realizar una comparación de la respuesta biomecánica del pájaro carpintero frente a los umbrales basados ​​en la lesión por tensión axonal sugiere que incluso el pájaro carpintero supera los umbrales de lesión cerebral existentes durante el ciclo de picoteo. 

Imagen 2: Ciclo de Picoteo y Perfil de desplazamiento, velocidad y aceleración durante el ciclo de picoteo.

 Fuente: Ganpule et al.

Farah et al. examinaron los cerebros de 10 pájaros carpinteros conservados con etanol y 5 controles experimentales de aves negras con alas rojas, utilizando tinción de plata Gallyas y anti-fosfo-tau, encontrando depósitos de plata positivos en el tracto perivascular y de materia blanca en 8 de los 10 cerebros de pájaros carpinteros. Las acumulaciones tau positivas se observaron en los tractos de materia blanca en 2 de los 3 pájaros carpinteros examinados. No se identificó tinción en las aves de control. La tinción negativa de las aves de control contrasta con las secciones del pájaro carpintero de tinción positiva difusa sugieren la posibilidad de que el picoteo pueda inducir la acumulación de tau en el cerebro del pájaro carpintero, por lo que los intentos de biomimetismo del pájaro carpintero deben considerarse con precaución y deben apoyarse con un análisis detallado.

Bibliografía:

1. Farah, George, Donald Siwek, and Peter Cummings. 2018. “Tau Accumulations in the Brains of Woodpeckers.” PloS One 13 (2): e0191526.

2. Ganpule, Shailesh, Sunil Sutar, and Kaustaubh Shinde. 2020. “Biomechanical Analysis of Woodpecker Response During Pecking Using a Two-Dimensional Computational Model.” Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 8 (July): 810.

3. Wang, Lizhen, Jason Tak-Man Cheung, Fang Pu, Deyu Li, Ming Zhang, and Yubo Fan. 2011. “Why Do Woodpeckers Resist Head Impact Injury: A Biomechanical Investigation.” PloS One 6 (10): e26490.