Integración de ensayos psicofísicos visuales dentro de un laberinto Y para aislar el papel que desempeñan las características visuales en las decisiones de navegación
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para demostrar un ensayo conductual que cuantifica cómo las características visuales alternativas, como las señales de movimiento, influyen en las decisiones direccionales en los peces. Los datos representativos se presentan sobre la velocidad y precisión donde Golden Shiner (Notemigonus crysoleucas) sigue los movimientos de los peces virtuales.
Abstract
El comportamiento colectivo de los animales surge de las motivaciones individuales y las interacciones sociales que son fundamentales para la aptitud individual. Los peces han inspirado durante mucho tiempo investigaciones sobre el movimiento colectivo, específicamente, su capacidad para integrar la información ambiental y social en contextos ecológicos. Esta demostración ilustra las técnicas utilizadas para cuantificar las respuestas conductuales de los peces, en este caso, Golden Shiner (Notemigonus crysoleucas), a estímulos visuales mediante visualización por ordenador y análisis de imágenes digitales. Los avances recientes en la visualización de computadoras permiten realizar pruebas empíricas en el laboratorio, donde las características visuales se pueden controlar y manipular con precisión para aislar los mecanismos de las interacciones sociales. El propósito de este método es aislar las entidades visuales que pueden influir en las decisiones direccionales del individuo, ya sea solitario o con grupos. Este protocolo proporciona detalles sobre el dominio físico del laberinto Y, el equipo de grabación, la configuración y las calibraciones del proyector y la animación, los pasos experimentales y los análisis de datos. Estas técnicas demuestran que la animación por ordenador puede obtener respuestas biológicamente significativas. Además, las técnicas son fácilmente adaptables a probar hipótesis, dominios y especies alternativas para una amplia gama de aplicaciones experimentales. El uso de estímulos virtuales permite la reducción y sustitución del número de animales vivos necesarios y, en consecuencia, reduce los gastos generales de laboratorio.
Esta demostración pone a prueba la hipótesis de que las pequeñas diferencias relativas en las velocidades de movimiento (2 longitudes corporales por segundo) de los conespecíficos virtuales mejorarán la velocidad y precisión con la que las ojeras siguen las señales direccionales proporcionadas por el Siluetas. Los resultados muestran que las decisiones direccionales de shiners se ven significativamente afectadas por aumentos en la velocidad de las señales visuales, incluso en presencia de ruido de fondo (67% de coherencia de imagen). En ausencia de señales de movimiento, los sujetos eligieron sus direcciones al azar. La relación entre la velocidad de decisión y la velocidad de referencia era variable y los aumentos en la velocidad de cue tuvieron una influencia modestamente desproporcionada en la precisión direccional.
Introduction
Los animales detectan e interpretan su hábitat continuamente para tomar decisiones informadas al interactuar con los demás y navegar por entornos ruidosos. Las personas pueden mejorar su conciencia situacional y la toma de decisiones integrando la información social en sus acciones. La información social, sin embargo, se deriva en gran medida de la inferencia a través de señales no deseadas (es decir, maniobras repentinas para evitar a un depredador), que pueden ser poco fiables, en lugar de a través de señales directas que han evolucionado para comunicar mensajes específicos (por ejemplo, la ola baile en abejas de miel)1. Identificar cómo las personas evalúan rápidamente el valor de las señales sociales, o cualquier información sensorial, puede ser una tarea difícil para los investigadores, particularmente cuando las personas viajan en grupos. La visión juega un papel importante en la regulación de las interacciones sociales2,3,4 y los estudios han inferido las redes de interacción que pueden surgir en las escuelas de peces en función del campo de visión de cada individuo5, 6. Las escuelas de peces son sistemas dinámicos, sin embargo, lo que dificulta aislar las respuestas individuales a características particulares, o comportamientos de los vecinos, debido a las colinealidades inherentes y los factores de confunción que surgen de las interacciones entre los miembros del grupo. El propósito de este protocolo es complementar el trabajo actual aislando cómo las características visuales alternativas pueden influir en las decisiones direccionales de las personas que viajan solas o dentro de grupos.
La ventaja del protocolo actual es combinar un experimento manipulador con técnicas de visualización por computadora para aislar las características visuales elementales que un individuo puede experimentar en la naturaleza. Específicamente, el laberinto Y (Figura 1) se utiliza para contraer la elección direccional a una respuesta binaria e introducir imágenes animadas por computadora diseñadas para imitar los comportamientos de natación de los vecinos virtuales. Estas imágenes se proyectan desde debajo del laberinto para imitar las siluetas de los conespecíficos que nadan debajo de uno o más sujetos. Las características visuales de estas siluetas, como su morfología, velocidad, coherencia y comportamiento denatación, se adaptan fácilmente para probar hipótesis alternativas 7.
Este artículo demuestra la utilidad de este enfoque aislándolo cómo los individuos de una especie de pez social modelo, el Golden Shiner (Notemigonus crysoleucas), responden a la velocidad relativa de los vecinos virtuales. El enfoque del protocolo, aquí, está en si la influencia direccional de los vecinos virtuales cambia con su velocidad y, si es así, cuantificar la forma de la relación observada. En particular, la señal direccional se genera haciendo que una proporción fija de las siluetas actúe como líderes y se mueva balista hacia un brazo u otro. Las siluetas restantes actúan como distractores moviéndose al azar para proporcionar ruido de fondo que se puede ajustar ajustando la relación directriz/distraída. La relación de los líderes a los distractores captura la coherencia de las señales direccionales y se puede ajustar en consecuencia. Las siluetas de distractores permanecen confinadas al área de decisión (“DA”, Figura 1A)haciendo que las siluetas se reflejen fuera del límite. Las siluetas de líder, sin embargo, se les permite salir de la región del DA y entrar en su brazo designado antes de desvanecirse lentamente una vez que las siluetas atraviesan 1/3 de la longitud del brazo. A medida que los líderes abandonan el fiscal, las nuevas siluetas de líder toman su lugar y recorren su camino exacto para asegurarse de que la relación líder/distracción permanece constante en el DA durante todo el experimento.
El uso de peces virtuales permite el control de la información sensorial visual, mientras se supervisa la respuesta direccional del sujeto, lo que puede revelar nuevas características de navegación social, movimiento o toma de decisiones en grupos. El enfoque utilizado aquí se puede aplicar a una amplia gama de preguntas, como los efectos del estrés subletal o la depredación en las interacciones sociales, mediante la manipulación de la animación por ordenador para producir patrones de comportamiento de complejidad variable.
Protocol
Representative Results
Discussion
Se sabe que las señales visuales desencadenan una respuesta optomotor en peces expuestos a rejillas blancas y negras13 y hay cada vez más evidencia teórica y empírica de que la velocidad del vecino desempeña un papel influyente en la gobernanza de las interacciones dinámicas observadas en escuelas de peces7,14,15,16,17. Existen hi…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a Bryton Hixson por la asistencia de configuración. Este programa fue apoyado por el Programa Básico de Investigación, Calidad Ambiental e Instalaciones (EQI; Dra. Elizabeth Ferguson, Directora Técnica del Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos.
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).
