Het integreren van visuele Psychophysical assays binnen een Y-doolhof om de rol te isoleren die visuele functies spelen in navigatie beslissingen
Summary
Hier presenteren we een protocol om een gedrags test aan te tonen die kwantificeert hoe alternatieve visuele kenmerken, zoals bewegings aanwijzingen, directionele beslissingen in vissen beïnvloeden. Representatieve gegevens worden gepresenteerd op de snelheid en nauwkeurigheid waar Golden shiner (Notemigonus crysoleucas) volgen virtuele vissen bewegingen.
Abstract
Collectief Dierengedrag vloeit voort uit individuele motivaties en sociale interacties die cruciaal zijn voor individuele fitheid. Vissen hebben al lang een onderzoek naar collectieve bewegingen geïnspireerd, met name hun vermogen om milieu-en sociale informatie te integreren in de ecologische context. Deze demonstratie illustreert technieken die worden gebruikt voor het kwantificeren van gedrags responsen van vissen, in dit geval Golden shiner (Notemigonus crysoleucas), aan visuele stimuli met behulp van computer visualisatie en digitale beeldanalyse. Recente ontwikkelingen in computer visualisatie zorgen voor empirische testen in het Lab waar visuele functies kunnen worden bestuurd en fijn gemanipuleerd om de mechanismen van sociale interacties te isoleren. Het doel van deze methode is om visuele kenmerken te isoleren die de directionele beslissingen van het individu kunnen beïnvloeden, of het nu eenzame of met groepen is. Dit protocol biedt specifieke informatie over het fysieke Y-doolhof domein, opnameapparatuur, instellingen en kalibraties van de projector en animatie, experimentele stappen en gegevensanalyses. Deze technieken tonen aan dat computeranimatie biologisch zinvolle reacties kan opwekken. Bovendien zijn de technieken gemakkelijk aanpasbaar om alternatieve hypotheses, domeinen en soorten te testen voor een breed scala aan experimentele toepassingen. Het gebruik van virtuele stimuli zorgt voor de reductie en vervanging van het aantal levende dieren dat nodig is, en verlaagt daardoor de overhead van het laboratorium.
Deze demonstratie test de hypothese dat kleine relatieve verschillen in de bewegings snelheden (2 lichaams lengtes per seconde) van virtuele condetails de snelheid en nauwkeurigheid zullen verbeteren waarmee shiners de richtingaanwijzers volgen die door de virtuele Silhouetten. Resultaten tonen aan dat shiners directionele beslissingen aanzienlijk worden beïnvloed door stijgingen van de snelheid van de visuele aanwijzingen, zelfs in de aanwezigheid van achtergrondruis (67% beeld coherentie). Bij afwezigheid van bewegings aanwijzingen kozen proefpersonen willekeurig hun aanwijzingen. De relatie tussen de beslissings snelheid en de Cue-snelheid was variabel en de toename van de Cue-snelheid had een bescheiden onevenredige invloed op de directionele nauwkeurigheid.
Introduction
Dieren voelen en interpreteren hun habitat continu om weloverwogen beslissingen te nemen bij interactie met anderen en het navigeren door lawaaierige omgevingen. Individuen kunnen hun situationeel bewustzijn en besluitvorming verbeteren door sociale informatie in hun acties te integreren. Sociale informatie komt echter grotendeels voort uit deductie door middel van onbedoelde aanwijzingen (d.w.z. plotselinge manoeuvres om een roofdier te vermijden), wat onbetrouwbaar kan zijn, in plaats van via directe signalen die zijn geëvolueerd om specifieke berichten te communiceren (bijv. het waggle dansen in honingbijen)1. Identificeren hoe individuen snel de waarde van sociale signalen of zintuiglijke informatie beoordelen, kan een uitdagende taak voor onderzoekers zijn, vooral wanneer individuen in groepen reizen. Visie speelt een belangrijke rol in de omgang met sociale interacties2,3,4 en studies hebben de interactie netwerken afgeleid die kunnen ontstaan in visscholen op basis van het gezichtsveld van elk individu5, 6. Visscholen zijn echter dynamische systemen, waardoor het moeilijk is om individuele reacties op bepaalde functies of naburige gedragingen te isoleren, vanwege de inherente collineiteiten en verstorende factoren die voortvloeien uit de interacties tussen groepsleden. Het doel van dit protocol is om de huidige werkzaamheden aan te vullen door te isoleren hoe alternatieve visuele kenmerken de directionele beslissingen van individuen die alleen of binnen groepen reizen kunnen beïnvloeden.
Het voordeel van het huidige protocol is om een manipulatief experiment te combineren met computer visualisatietechnieken om de elementaire visuele kenmerken te isoleren die een individu in de natuur kan ervaren. Specifiek, de Y-doolhof (Figuur 1) wordt gebruikt om de directionele keuze samen te vouwen tot een binaire reactie en introduceren computer geanimeerde beelden ontworpen om het gedrag van het zwemmen van virtuele buren na te bootsen. Deze beelden worden geprojecteerd vanaf onder het doolhof om de silhouetten van condetails die onder een of meer onderwerpen zwemmen na te bootsen. De visuele kenmerken van deze silhouetten, zoals hun morfologie, snelheid, coherentie en zwemgedrag, zijn gemakkelijk op maat gemaakt om alternatieve hypotheses7te testen.
Deze paper demonstreert het nut van deze aanpak door te isoleren hoe individuen van een model sociale vissoorten, de Golden shiner (Notemigonus crysoleucas), reageren op de relatieve snelheid van virtuele buren. Het protocol focus, hier, is op of de directionele invloed van virtuele buren veranderen met hun snelheid en, zo ja, kwantificeren van de vorm van de waargenomen relatie. In het bijzonder wordt de directionele Cue gegenereerd door een vast deel van de silhouetten fungeren als leiders en bewegen ballistisch naar de ene arm of een andere. De overgebleven silhouetten fungeren als afleidingen door willekeurig over te stappen om achtergrondgeluiden te bieden die kunnen worden afgesteld door de Leader/distractor ratio aan te passen. De verhouding van leidinggevenden tot afleiders vangt de coherentie van de richtingsaanwijzingen op en kan dienovereenkomstig worden aangepast. Afleider silhouetten blijven beperkt tot het beslissings gebied (“DA”, Figuur 1a) door het hebben van de silhouetten reflecteren off van de grens. Leiders silhouetten mogen echter de DA-regio verlaten en hun aangewezen arm betreden voordat ze langzaam verdwijnen zodra de silhouetten de lengte van de arm 1/3. Naarmate leiders de DA verlaten, nemen nieuwe Leader-silhouetten hun plaats in en traceren ze hun exacte pad om ervoor te zorgen dat de Leader/distractor ratio constant blijft in de DA tijdens het experiment.
Het gebruik van virtuele vissen zorgt voor de controle van de visuele zintuiglijke informatie, terwijl het monitoren van de directionele reactie van het onderwerp, die kan onthullen nieuwe kenmerken van sociale navigatie, beweging, of besluitvorming in groepen. De benadering die hier wordt gebruikt, kan worden toegepast op een breed scala aan vragen, zoals effecten van subletale stress of predatie op sociale interacties, door de computeranimatie te manipuleren om gedragspatronen van verschillende complexiteit te produceren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Visuele aanwijzingen zijn bekend om een optomotor reactie te activeren in vissen blootgesteld aan zwart-wit roosters13 en er is toenemend theoretische en empirische bewijs dat de buur snelheid een invloedrijke rol speelt in het bestuur van de dynamische interacties waargenomen in visscholen7,14,15,16,17. Er bestaan contrasterende hypoth…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken Bryton Hixson voor hulp bij de installatie. Dit programma werd ondersteund door het basis onderzoeksprogramma, milieukwaliteit en installaties (EQI; Dr. Elizabeth Ferguson, technisch directeur), US Army Engineer Research and Development 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. |
Riferimenti
- 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).
