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PUBLICACION ASOCIADA DEL PROYECTO
El nado tridimensional del espermatozoide

Sistema de Rastreo Tridimensional de Micro-Partículas: Aplicación en el Rastreo de Espermatozoides al Nado Libre. Arturo Pimentel Cabrera. Doctorado en Ciencia e Ingeniería de la Computación, UNAM. 31 Mayo 2013, graduado con MENCIÓN HONORÍFICA, MEDALLA ALFONSO CASO 2015.

El estudio de la dinámica exhibida por part´ıculas microsc´opicas en espacios tridimensionales es un importante tema en diversas ´areas de investigaci´on cient´ıfica y tecnol´ogica. Dentro de este contexto, la revolución tecnol´ogica de las ultimas d´ecadas ha permitido implementar sofisticados m´etodos de visi´on por computadora que han revelado procesos que por su escala espacio-temporal (micr´ometros y milisegundos) hab´ıan permanecido inaccesibles al conocimiento humano. Esta nueva perspectiva ha tenido gran impacto en el estudio de los sistemas biol´ogicos microsc´opicos, a tal grado que esta revolucionando la forma en que se dise˜nan los sistemas experimentales y se analiza la informaci´on obtenida, integrando la visi´on por computadora y el an´alisis estad´ıstico. Independientemente de que en el futuro esta clase de desarrollos derivar´a en una multitud de aplicaciones, tanto m´edicas como de investigaci´on b´asica, ahora mismo existen m´ultiples sistemas creados para adquirir y procesar informaci´on sobre la din´amica exhibida en situaciones complejas, por ejemplo, c´elulas involucradas en procesos de fecundaci´on o del sistema inmune; neuronas en procesos sin´apticos in vivo; microorganismos que responden a est´ımulos del medio ambiente (viscosidad, temperatura, est´ımulos qu´ımicos, etc); flujos de part´ıculas o estructuras complejas que se mueven de acuerdo a un campo de velocidades en un reactor qu´ımico o que interact´uan para formar estructuras, etc [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]. Particularmente activo, el campo de rastreo tridimensional de part´ıculas microsc´opicas tiene su primer antecedente en el sistema propuesto por H. Berg en 1971 para rastreo de c´elulas, cuando, en base a un sistema motorizado de platinas y un algoritmo de enfoque, pudo seguir el nado tridimensional de una bacteria de la especie Escherichia Coli que en promedio mide 4 m y desplaza a velocidades promedio de  100 m=s. [20, 21, 22]. A partir de entonces, a la par del incremento de recursos tecnol´ogicos, se han desarrollo novedosos m´etodos de adquisici´on y an´alisis de im´agenes, destacando trabajos como el de Wu et al, donde a partir de im´agenes bidimensionales correspondientes a planos focales y usando algoritmos de enfoque, reconstruyen el nado simult´aneo de varias bacterias (E. Coli) en vol´umenes de 60 m de profundidad [23] o el trabajo de Sheng et al donde usan holograf´ıa digital para registrar el nado simult´aneo de dinoflagelados [24, 25]. Pese a los indiscutibles avances, estos sistemas a´un presentan aspectos por resolver, como por ejemplo, la limitante para rastrear part´ıculas individuales en el caso de Berg, poca profundidad de rastreo u oclusiones en en el caso de Wu o el uso de fuentes de luz coherente, alto costo computacional para decodificar patrones de interferencia y alta sensibilidad al ruido luminoso y mec´anico en el caso de Sheng. En este contexto es donde se sit´ua el trabajo que aqu´ı presentamos y que consiste en un sistema autom´atico de adquisici ´on y procesamiento de im´agenes que permite registrar y medir trayectorias simultaneas de microorganismos que se desplazan en espacios tridimensionales de dimensi´on 400  400  220 m3 a velocidades de varios cientos de micras por segundo. Los resultados obtenidos indican que nuestro sistema es sumamente eficiente para identificar correctamente c´elulas (TP  98 %) y eliminar artefactos que cuentan con tama˜no y apariencia similares (FP  2 %), caracter´ısticas que permiten obtener datos precisos de trayectorias tridimensionales, reduciendo en forma importante el tiempo de an´alisis y eliminando la subjetividad impl´ıcita en la intervenci´on manual de un usuario [26]. En base a la informaci´on obtenida hemos desarrollado un tratamiento autom´atico de procesamiento de trayectorias que nos permite obtener un conjunto de par´ametros que caracterizan estad´ısticamente el nado tridimensional asociado a la poblaci´on de microorganismos. Durante nuestra descripci´on, analizaremos el caso particular del rastreo del espermatozoide de erizo marino, c´elula que adem´as de ser un paradigma en el estudio de motilidad de microorganismos flagelados y ciliados, constituye, por su alta velocidad ( 250 m=s en promedio), un caso l´ımite dentro de un amplio rango de casos experimentalmente relevantes, como por ejemplo, espermatozoides dirigi´endose hacia un ovulo en la fertilizaci´on, bacterias siguiendo nutrientes o evadiendo sustancias toxicas, dispersi´on de microorganismos para bio-remediaci´on, la migraci´on de neuronas o linfocitos en funciones corporales, part´ıculas inanimadas en movimiento browniano tridimensional, etc.

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