Integrering af visuelle psykofysiske assays i en Y-labyrint for at isolere den rolle, som visuelle funktioner spiller i navigationsbeslutninger
Summary
Her præsenterer vi en protokol for at demonstrere en adfærdsmæssig analyse, der kvantificerer, hvordan alternative visuelle funktioner, såsom bevægelses signaler, påvirker retningsbestemte beslutninger i fisk. Repræsentative data præsenteres for hastigheden og nøjagtigheden, hvor Golden Shiner (Notemigonus crysoleucas) følger virtuelle fiske bevægelser.
Abstract
Kollektiv dyrs adfærd opstår fra individuelle motivationer og sociale interaktioner, der er afgørende for individuel fitness. Fisk har længe inspireret undersøgelser i kollektive bevægelse, specifikt, deres evne til at integrere miljømæssige og sociale oplysninger på tværs af økologiske sammenhænge. Denne demonstration illustrerer teknikker, der anvendes til at kvantificere adfærdsmæssige responser af fisk, i dette tilfælde Golden Shiner (Notemigonus crysoleucas), til visuelle stimuli ved hjælp af computer visualisering og digital billedanalyse. Nylige fremskridt i computer visualisering giver mulighed for empirisk testning i laboratoriet, hvor visuelle funktioner kan styres og fint manipuleres for at isolere mekanismerne i sociale interaktioner. Formålet med denne metode er at isolere visuelle funktioner, der kan påvirke den enkeltes retningsbestemte beslutninger, uanset om de er ensomme eller med grupper. Denne protokol indeholder specifikke oplysninger om det fysiske Y-labyrint domæne, optagelsesudstyr, indstillinger og kalibreringer af projektoren og animationen, eksperimentelle trin og dataanalyser. Disse teknikker viser, at computer animation kan fremkalde biologisk meningsfulde svar. Desuden er de teknikker er let at tilpasse til at teste alternative hypoteser, domæner, og arter for en bred vifte af eksperimentelle applikationer. Brugen af virtuelle stimuli giver mulighed for reduktion og udskiftning af antallet af levende dyr, der kræves, og dermed reducerer laboratorie omkostninger.
Denne demonstration tester hypotesen om, at små relative forskelle i bevægelses hastighederne (2 krops længder pr. sekund) af virtuelle conspecificer vil forbedre hastigheden og nøjagtigheden, hvormed shiners følger de retningsbestemte signaler, der leveres af den virtuelle Silhuetter. Resultater viser, at shiners retningsbestemte beslutninger er væsentligt påvirket af stigninger i hastigheden af de visuelle signaler, selv i nærværelse af baggrundsstøj (67% billed kohærens). I mangel af nogen bevægelse cues, valgte deres retninger tilfældigt. Forholdet mellem beslutning hastighed og cue hastighed var variabel og stigninger i cue hastighed havde en beskedent uforholdsmæssig indflydelse på retningsbestemt nøjagtighed.
Introduction
Dyrene fornemmer og fortolker deres levesteder kontinuerligt for at træffe informerede beslutninger, når de interagerer med andre og navigerer i støjende omgivelser. Enkeltpersoner kan forbedre deres situationsbevidsthed og beslutningstagning ved at integrere sociale oplysninger i deres handlinger. Sociale oplysninger, men, i vid udstrækning stammer fra følgeslutning gennem utilsigtede signaler (dvs. pludselige manøvrer for at undgå en rovdyr), som kan være upålidelige, snarere end gennem direkte signaler, der har udviklet sig til at kommunikere specifikke budskaber (f. eks. den waggle dans i honningbier)1. Identificering af, hvordan enkeltpersoner hurtigt vurderer værdien af sociale signaler eller sensoriske oplysninger, kan være en udfordrende opgave for undersøgere, især når enkeltpersoner rejser i grupper. Vision spiller en vigtig rolle i at styre sociale interaktioner2,3,4 og undersøgelser har udledt de interaktions netværk, der kan opstå i fiskeskoler baseret på hver enkelt persons synsfelt5, 6. Fiskeskoler er dynamiske systemer, men gør det vanskeligt at isolere individuelle svar på bestemte funktioner, eller nabo adfærd, på grund af de iboende collineariteter og forstyrrende faktorer, der opstår som følge af samspillet mellem gruppens medlemmer. Formålet med denne protokol er at supplere det nuværende arbejde ved at isolere, hvordan alternative visuelle funktioner kan påvirke de retningsbestemte beslutninger af enkeltpersoner, der rejser alene eller i grupper.
Fordelen ved den nuværende protokol er at kombinere en manipulerende eksperiment med computer visualisering teknikker til at isolere de elementære visuelle funktioner en person kan opleve i naturen. Specifikt, Y-labyrint (figur 1) bruges til at skjule retningsbestemt valg til en binær reaktion og introducere Computeranimerede billeder designet til at efterligne svømning adfærd virtuelle naboer. Disse billeder er projiceret op fra neden for labyrinten til at efterligne silhuetterne af condetaljerne svømning under et eller flere. De visuelle egenskaber af disse silhuetter, såsom deres morfologi, hastighed, sammenhæng og svømning adfærd er let skræddersyet til at teste alternative hypoteser7.
Dette papir demonstrerer nytten af denne tilgang ved at isolere, hvordan individer af en model sociale fiskearter, den gyldne Shiner (Notemigonus crysoleucas), reagere på den relative hastighed virtuelle naboer. Protokollen fokus, her, er på, om den retningsbestemte indflydelse af virtuelle naboer ændre med deres hastighed og, hvis ja, kvantificere form af det observerede forhold. Især er den retningsbestemte cue genereret ved at have en fast andel af silhuetterne fungere som ledere og bevæge sig ballisistisk mod en arm eller en anden. De resterende silhuetter fungerer som distraktorer ved at bevæge sig tilfældigt for at give baggrundsstøj, der kan justeres ved at justere Leader/distraktor forholdet. Forholdet mellem ledere til distraktorer fanger sammenhængen i de retningsbestemte signaler og kan justeres i overensstemmelse hermed. Distraktor silhuetter forbliver begrænset til beslutningsområdet (“DA”, figur 1a) ved at have silhuetterne reflekterer ud af grænsen. Leader silhuetter, dog, får lov til at forlade DA regionen og indtaste deres udpegede arm, før langsomt falmer væk, når silhuetterne krydser 1/3 længden af armen. Som ledere forlader DA, nye leder silhuetter tage deres plads og spore deres nøjagtige vej for at sikre, at lederen/distraktoren forholdet forbliver konstant i DA hele eksperimentet.
Brugen af virtuelle fisk giver mulighed for kontrol af de visuelle sensoriske oplysninger, mens overvågning af retningsbestemt respons af emnet, som kan afsløre nye funktioner i social navigation, bevægelse, eller beslutningstagning i grupper. Den fremgangsmåde, der anvendes her, kan anvendes på en bred vifte af spørgsmål, såsom virkningerne af subletale stress eller prædation på sociale interaktioner, ved at manipulere computer animation til at producere adfærdsmæssige mønstre af varierende kompleksitet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Visuelle signaler er kendt for at udløse en optomotor respons i fisk udsat for sort og hvid riste13 og der er stigende teoretiske og empiriske beviser for, at nabo hastighed spiller en indflydelsesrig rolle i at styre de dynamiske interaktioner observeret i fiskeskoler7,14,15,16,17. Kontrasterende hypoteser findes for at forklare, hvor…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Bryton Hixson for opsætnings assistance. Dette program blev støttet af det grundlæggende forskningsprogram, miljøkvalitet og installationer (EQI; Dr. Elizabeth Ferguson, teknisk direktør), amerikanske hær ingeniør forskning og udvikling Center.
Materials
| Black and white IP camera | Noldus, Leesburg, VA, USA | https://www.noldus.com/ | |
| Extruded aluminum | 80/20 Inc., Columbia City, IN, USA | 3030-S | https://www.8020.net 3.00" X 3.00" Smooth T-Slotted Profile, Eight Open T-Slots |
| Finfish Starter with Vpak, 1.5 mm extruded pellets | Zeigler Bros. Inc., Gardners, PA, USA | http://www.zeiglerfeed.com/ | |
| Golden shiners | Saul Minnow Farm, AR, USA | http://saulminnow.com/ | |
| ImageJ (v 1.52h) freeware | National Institute for Health (NIH), USA | https://imagej.nih.gov/ij/ | |
| LED track lighting | Lithonia Lightening, Conyers, GA, USA | BR20MW-M4 | https://lithonia.acuitybrands.com/residential-track |
| Oracle 651 white cut vinyl | 651Vinyl, Louisville, KY, USA | 651-010M-12:5ft | http://www.651vinyl.com. Can order various sizes. |
| PowerLite 570 overhead projector | Epson, Long Beach CA, USA | V11H605020 | https://epson.com/For-Work/Projectors/Classroom/PowerLite-570-XGA-3LCD-Projector/p/V11H605020 |
| Processing (v 3) freeware | Processing Foundation | https://processing.org/ | |
| R (3.5.1) freeware | The R Project for Statistical Computing | https://www.r-project.org/ | |
| Ultra-white 360 theater screen | Alternative Screen Solutions, Clinton, MI, USA | 1950 | https://www.gooscreen.com. Must call for special cut size |
| Z-Hab system | Pentair Aquatic Ecosystems, Apopka, FL, USA | https://pentairaes.com/. Call for details and sizing. |
References
- Dall, S. R. X., Olsson, O., McNamara, J. M., Stephens, D. W., Giraldeau, L. A. Information and its use by animals in evolutionary ecology. Trends in Ecology and Evolution. 20 (4), 187-193 (2005).
- Pitcher, T. Sensory information and the organization of behaviour in a shoaling cyprinid fish. Animal Behaviour. 27, 126-149 (1979).
- Partridge, B. The structure and function of fish schools. Scientific American. 246 (6), 114-123 (1982).
- Fernández-Juricic, E., Erichsen, J. T., Kacelnik, A. Visual perception and social foraging in birds. Trends in Ecology and Evolution. 19 (1), 25-31 (2004).
- Strandburg-Peshkin, A., et al. Visual sensory networks and effective information transfer in animal groups. Current Biology. 23 (17), R709-R711 (2013).
- Rosenthal, S. B., Twomey, C. R., Hartnett, A. T., Wu, S. H., Couzin, I. D. Behavioral contagion in mobile animal groups. Proceedings of the National Academy of Sciences (U.S.A.). 112 (15), 4690-4695 (2015).
- Lemasson, B. H., et al. Motion cues tune social influence in shoaling fish. Scientific Reports. 8 (1), e9785 (2018).
- Kaidanovich-Beilin, O., Lipina, T., Vukobradovic, I., Roder, J., Woodgett, J. R. Assessment of social interaction behaviors. Journal of Visualized. Experiments. (48), e2473 (2011).
- Holcombe, A., Schalomon, M., Hamilton, T. J. A novel method of drug administration to multiple zebrafish (Danio rerio) and the quantification of withdrawal. Journal of Visualized. Experiments. (93), e51851 (2014).
- Way, G. P., Southwell, M., McRobert, S. P. Boldness, aggression, and shoaling assays for zebrafish behavioral syndromes. Journal of Visualized. Experiments. (114), e54049 (2016).
- Zhang, Q., Kobayashi, Y., Goto, H., Itohara, S. An automated T-maze based apparatus and protocol for analyzing delay- and effort-based decision making in free moving rodents. Journal of Visualized. Experiments. (138), e57895 (2018).
- Videler, J. J. . Fish Swimming. , (1993).
- Orger, M. B., Smear, M. C., Anstis, S. M., Baier, H. Perception of Fourier and non-Fourier motion by larval zebrafish. Nature Neuroscience. 3 (11), 1128-1133 (2000).
- Romey, W. L. Individual differences make a difference in the trajectories of simulated schools of fish. Ecological Modeling. 92 (1), 65-77 (1996).
- Katz, Y., Tunstrom, K., Ioannou, C. C., Huepe, C., Couzin, I. D. Inferring the structure and dynamics of interactions in schooling fish. Proceedings of the National Academy of Sciences (U.S.A.). 108 (46), 18720-18725 (2011).
- Herbert-Read, J. E., Buhl, J., Hu, F., Ward, A. J. W., Sumpter, D. J. T. Initiation and spread of escape waves within animal groups). Proceedings of the National Academy of Sciences (U.S.A.). 2 (4), 140355 (2015).
- Lemasson, B. H., Anderson, J. J., Goodwin, R. A. Motion-guided attention promotes adaptive communications during social navigation. Proceedings of the Royal Society. 280 (1754), e20122003 (2013).
- Moussaïd, M., Helbing, D., Theraulaz, G. How simple rules determine pedestrian behavior and crowd disasters. Proceedings of the National Academy of Sciences (U.S.A.). 108 (17), 6884-6888 (2011).
- Bianco, I. H., Engert, F. Visuomotor transformations underlying hunting behavior in zebrafish). Current Biology. 25 (7), 831-846 (2015).
- Chouinard-Thuly, L., et al. Technical and conceptual considerations for using animated stimuli in studies of animal behavior. Current Zoology. 63 (1), 5-19 (2017).
- Nakayasu, T., Yasugi, M., Shiraishi, S., Uchida, S., Watanabe, E. Three-dimensional computer graphic animations for studying social approach behaviour in medaka fish: Effects of systematic manipulation of morphological and motion cues. PLoS One. 12 (4), e0175059 (2017).
- Stowers, J. R., et al. Virtual reality for freely moving animals. Nature Methods. 14 (10), 995-1002 (2017).
- Warren, W. H., Kay, B., Zosh, W. D., Duchon, A. P., Sahuc, S. Optic flow is used to control human walking. Nature Neuroscience. 4 (2), 213-216 (2001).
- Silverman, J., Suckow, M. A., Murthy, S. . The IACUC Handbook. , (2014).
