Using the <em>FishSim</em> Animation Toolchain to Investigate Fish Behavior: A Case Study on Mate-Choice Copying In Sailfin Mollies

Stefanie Gierszewski; Derek Baker; Klaus M&#252;ller; Jan-Marco H&#252;twohl; Klaus-Dieter Kuhnert; Klaudia Witte

doi:10.3791/58435

JoVE Journal > Behavior

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행동분석학

Utilizando la cadena de herramientas de animación de FishSim para investigar el comportamiento de pescado: un estudio de caso en la elección de pareja copia en Mollies aletón

Published: November 08, 2018

doi:

10.3791/58435

Stefanie Gierszewski, Derek Baker², Klaus Müller, Jan-Marco Hütwohl, Klaus-Dieter Kuhnert, Klaudia Witte

¹Research Group of Ecology and Behavioral Biology, Institute of Biology,University of Siegen, ²University of Calgary, ³Institute of Real-Time Learning Systems,University of Siegen

Summary

Utilizando la cadena de herramientas de animación FishSim novela, presentamos un protocolo para la manipulación visual no invasiva de la información pública en el contexto de la elección de pareja copia en mollies aletón. FishSim Cadena de herramientas de animación proporciona un marco de fácil uso para el diseño, animación y presentación de los estímulos de pescado computadora-animado para experimentos conductuales con peces de prueba en vivo.

Abstract

En la última década, utilizando animación por ordenador para la investigación del comportamiento animal ha aumentado debido a su capacidad para manipular de forma no invasiva la apariencia y el comportamiento de los estímulos visuales, en comparación con la manipulación de animales vivos. Presentamos la cadena de herramientas de animación FishSim , un marco de software desarrollado para proporcionar a los investigadores un método fácil de usar para la aplicación de animación por ordenador 3D en experimentos conductuales con pescado. La cadena de herramientas ofrece plantillas para crear estímulos 3D virtuales de cinco especies de peces diferentes. Estímulos son personalizables en aspecto y tamaño, basado en fotografías tomadas de peces vivos. Múltiples estímulos pueden ser animados por grabación piscina senderos en un ambiente virtual utilizando un videojuego. Para aumentar la normalización del comportamiento simulado, el camino de natación pregrabado puede reproducirse con diferentes estímulos. Múltiples animaciones más tarde pueden organizados en listas de reproducción y presenta en monitores durante experimentos con peces vivos.

En un estudio de caso con aletón mollies (Poecilia latipinna), proporcionamos un protocolo sobre cómo llevar a cabo un experimento copiado de elección de pareja con FishSim. Utilizó este método para crear y animar virtuales machos y hembras de modelo virtual y luego presentó estos para vivir las hembras focal en un experimento de elección binaria. Nuestros resultados demuestran que la animación por ordenador puede utilizarse para simular peces virtuales en un experimento copiado de elección de pareja para investigar el papel de la mujer grávidas puntos como un indicador de calidad para una mujer modelo, copia de la elección de pareja.

Aplicando este método no se limita a copiar experimentos de elección de pareja pero se puede utilizar en varios diseños experimentales. Todavía, su utilidad depende de las capacidades visuales de las especies de estudio y primero necesita validación. En general, animaciones de computadora ofrecen un alto grado de control y de normalización en experimentos y tener el potencial de ‘reducir’ y ‘reemplazar’ estímulos en animales, así como a ‘perfeccionar’ procedimientos experimentales.

Introduction

Recientemente, utilizando técnicas modernas para la creación de estímulos artificiales, como la animación por ordenador y realidad virtual, ha ganado popularidad en la investigación¹. Estos métodos proporcionan diversas ventajas en comparación a los clásicos enfoques experimentales con estímulo vivo animales¹^,². Animación por ordenador permite la manipulación no invasiva de la apariencia (tamaño, color) y comportamiento de estímulo virtual animales utilizados en experimentos. Por ejemplo, la extirpación quirúrgica de la espada en swordtails verdes macho (Xiphophorus helleri) probar mate preferencias en las hembras³ fue rendida innecesaria utilizando animación por ordenador en un estudio posterior sobre esta especie⁴. Además, animaciones de computadora pueden crear fenotipos que se encuentran solamente raramente en la naturaleza⁵. Incluso pueden alterar las características morfológicas de animales virtuales más allá de la gama natural de esa especie⁴. En particular, la posible manipulación sistemática del comportamiento es una ventaja importante de la animación por ordenador, ya que es casi imposible con animales vivos⁶^,⁷.

Existen varias técnicas hasta la fecha para la creación de animaciones de computadora. Animaciones de (2D) bidimensionales simple normalmente derivan de una foto de un estímulo en movimiento en dos dimensiones y pueden crearse con programas comunes como MS PowerPoint⁸ o⁹de Adobe After Effects. Las animaciones tridimensionales (3D), que requieren gráficos 3D más sofisticados software de modelado, permiten el estímulo para moverse en tres dimensiones, aumentando las posibilidades de movimiento físico realista y complejo⁶^,⁷ ^, ¹⁰ ^, ¹¹ ^, ¹². incluso realidad virtual diseños que simulan un entorno 3D donde navegación animales vivos han sido usados¹³^,¹⁴. En una revisión reciente Thuly Chouinard et al. ² discutir estas técnicas uno por uno y destacar ventajas y desventajas en su aplicación en la investigación, en particular según el alcance del estudio y las capacidades visuales de los animales de prueba (ver “Discusión”). Además, Powell y Rosenthal¹⁵ asesorar en el diseño experimental apropiado y qué preguntas pueden resolverse mediante el empleo de estímulos artificiales en la investigación del comportamiento animal.

Desde la creación de animación por ordenador puede ser difícil y desperdiciador de tiempo, surgió la necesidad de software facilitar y estandarizar el proceso de diseño de animación. En este estudio, presentamos la de FishSim animación Toolchain libre y de código abierto¹⁶ (corto: FishSim; https://bitbucket.org/EZLS/fish_animation_toolchain/), un enfoque multidisciplinario que combina la ciencia informática y biología para atender estas necesidades. Similar a la anteriormente publicada herramienta anyFish¹⁷^,¹⁸, el desarrollo de la cadena de herramientas siguió el objetivo de proporcionar a los investigadores un método fácil de usar para la aplicación de estímulos 3D animados en experimentos con peces. Nuestro software consiste en un conjunto de herramientas que puede utilizarse para: (1) crear peces virtuales 3D (FishCreator), pregrabadas (2) animar las trayectorias de natación de los pescados virtuales con un videojuego (FishSteering) y (3) organizan y presentan animaciones en monitores para vivir peces focal (FishPlayer). Nuestra toolchain proporciona varias características que son especialmente útiles para pruebas en una situación de elección binaria, pero también aplicable a otros diseños experimentales. Por otra parte, la posible animación de dos o más peces virtuales permite la simulación de shoaling o cortejo. Animaciones no están limitadas a un estímulo específico pero pueden reproducirse con otros estímulos que permiten cambiar la apariencia de un estímulo, pero mantener su comportamiento constante. La naturaleza de código abierto de la cadena de herramientas, así como el hecho de que se basa en el sistema de la operación del robot ROS (www.ros.org), proporcionan la alta modularidad del sistema y ofrecen casi infinitas posibilidades para incluir dispositivos de retroalimentación externa (como el controlador o una sistema de seguimiento) y adaptar la cadena de herramientas a las necesidades de cada uno en la investigación. Además de la molly aletón, cuatro otras especies son actualmente utilizables: el Atlántico molly Poecilia mexicana, el guppy Poecilia reticulata, el espinoso Gasterosteus aculeatus y un cichlid Haplochromis spp. Nuevas especies pueden crearse en un 3D y modelado de herramienta (por ejemplo, licuadora, www.blender.org). Para ejemplificar el flujo de trabajo con FishSim y proporcionar un protocolo sobre cómo llevar a cabo un experimento copiado de elección de pareja con animación por ordenador, se realizó un estudio de caso con aletón mollies.

Elección de pareja es una de las decisiones más importantes que los animales hacen en su historia de vida. Los animales han desarrollado diferentes estrategias para encontrar los mejores socios de acoplamiento. Ellos podrán depender de información personal al evaluar potencial apareamiento a socios independientemente, posiblemente según preferencias predeterminadas genéticas para un determinado rasgo fenotípico¹⁹^,²⁰. Sin embargo, pueden también observar la elección de pareja de sus congéneres y así utilizar información pública²¹. Si el observador decide entonces elegir el mismo mate (o el mismo fenotipo) como los coespecíficos observado — el «modelo» — elegido previamente, esto se denomina elección de pareja copia (en adelante abreviado como MCC)²²^,²³. Copia de la elección de pareja es una forma de aprendizaje social y, por tanto, una estrategia de elección de pareja no independiente²⁴, que se ha observado en ambos vertebrados²⁵^,²⁶^,²⁷^,²⁸^, ²⁹ e invertebrados³⁰^,³¹^,³². Hasta ahora, MCC predominante fue estudiada en el pescado y se encuentra en laboratorio las condiciones³³^,³⁴^,³⁵^,³⁶^,³⁷^,³⁸ y en el salvaje³⁹^,⁴⁰^,⁴¹^,⁴². Copia de elección de pareja es especialmente valioso para un individuo si dos o más socios potenciales de apareamiento son aparentemente similares en calidad y una elección de pareja «bueno» — en términos de maximizar la aptitud — es difícil hacer⁴³. La calidad de un modelo de mujer se puede afectar si las hembras focal copiar su elección o no⁴⁴^,⁴⁵^,⁴⁶^,⁴⁷. Respectivamente, calidad mujer modelo “bueno” o “malo” se ha atribuido a su más o menos experimentada en la elección de pareja, por ejemplo en cuanto a tamaño y edad⁴⁴^,⁴⁵^,⁴⁶, o por ser un coespecíficos o heteroespecíficas⁴⁷. Mollies aletón que copie la elección de pareja de sus congéneres³⁹^,⁴⁸^,⁴⁹^,⁵⁰^,⁵¹, se encontró que las hembras focal copiar incluso el rechazo de un hombre⁵². Puesto que el MCC se considera que desempeñan un papel importante en la evolución de rasgos fenotípicos, así como de especiación e hibridación²¹^,²³^,⁵³^,⁵⁴, las consecuencias de copiar un ” opción falsa”puede ser enorme en la reducción de la aptitud de la copiadora⁵⁵. Si un individuo decide copiar la elección de otro individuo, es importante evaluar si el modelo observado es una fuente confiable de información, es decir, que el modelo sí mismo está haciendo una “buena” elección debido a él o ella bien experimentado en mate opción. Aquí surge la pregunta: ¿Qué características visuales pueden caracterizar un modelo fiable que lo copien en las hembras de molly aletón?

Una característica visual distinta en mujeres aletón mollies y otros poecílidos es el punto grávido (también conocido como ‘spot anal’, ‘cría parche’ o ’embarazo spot’). Esta área oscuro pigmentada en su región anal deriva del melanization del tejido que recubre el saco ovárico⁵⁶. El tamaño y la presencia del punto grávido son variables a través de las hembras de la misma especie y más individualmente pueden cambiar durante la progresión de los ciclos ováricos⁵⁶^,⁵⁷. Grávidas puntos pueden servir para atraer a los machos y facilitar la orientación de gonopodial para inseminación interna⁵⁸ o como un medio de publicidad fertilidad⁵⁹^,⁶⁰. Teniendo en cuenta el vínculo entre el punto grávido y estado reproductivo de la hembra, predijimos que el punto grávido sirve como un signo de calidad femenina modelo proporcionando información sobre su estado reproductivo actual para observar hembras focal. Se investigan dos hipótesis alternativas. En primer lugar, si el punto grávido es una señal general de madurez, como se predijo por Farr y Travis⁵⁹, denota un modelo supuestamente fiable y con experiencia en comparación con un modelo inmaduro (sin el punto). Aquí, las hembras focal son más propensos a copiar la elección de un modelo con una mancha pero no la de un modelo sin una mancha. En segundo lugar, si el punto grávido marca no receptividad debido a la ya desarrollo de crías, como Sumner et al. ⁶⁰, el modelo es probablemente menos fiable ya que las hembras no receptivas se consideraría menos exigentes. En este caso, las hembras focal no copia su elección pero de modelos sin mancha. Hasta ahora, el papel del spot grávido de MCC en hembras de aletón molly tiene nunca ha probado, ni manipulados experimentalmente.

Utilizamos FishSim para llevar a cabo un experimento MCC presentando estímulos virtuales machos y hembras de modelo virtual en monitores de computadora en vez de usar vivo estímulo y modelo pescado como en el clásico procedimiento experimental⁴⁹^,⁵⁰ ^,⁵¹^,⁶¹. La usabilidad general de nuestro software ha sido validada previamente para probar la hipótesis sobre la elección de pareja en aletón mollies¹². Aquí, probamos si la ausencia o presencia de un punto grávido en hembras de modelo virtual afecta a la elección de pareja de observar hembras focal vivo. Primero dejamos las hembras focal aclimatación al tanque de prueba (figura 1.1) y les permiten elegir entre dos machos de diferentes estímulos virtuales en una prueba de elección de pareja primero (figura 1.2). Luego, durante el período de observación, se presentó el hombre virtual previo no preferidos junto con una mujer de modelo virtual (figura 1.3). En una posterior segunda prueba de la elección de pareja, las hembras focal eligieron otra vez entre los varones de la misma (figura 1.4). Hemos analizado si focal hembras habían copiado la elección de pareja de la mujer modelo observado comparando su decisión de elección de pareja en la primera y segunda prueba de elección de pareja. Se realizaron dos diferentes tratamientos experimentales en los cuales manipulamos visualmente la calidad de la hembra del modelo virtual. Durante el período de observación, o presentamos el previo hombre virtual no preferidos (1) junto con una hembra modelo virtual con un punto grávido (tratamiento “punto”); o (2) junto con una hembra modelo virtual sin un punto grávido (tratamiento de “ningún lugar”). Además, en un control sin cualquier mujer modelo, probamos si hembras focal eligieron constantemente cuando no se proporcionó ninguna información pública.

Figura 1. Resumen general de los pasos experimentales más importantes para un experimento MCC utilizando estímulos peces virtuales. (1) periodo de aclimatación. La prueba de elección de pareja primero (2) : mujer focal vivo elige entre machos de estímulo virtual. Período de observación (3) : focal relojes el macho anterior no preferidos junto con una hembra modelo virtual con el punto grávido. (4) prueba de segunda elección de pareja: la mujer focal nuevo elige entre machos de estímulo virtual. En este ejemplo, copia la elección del modelo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocol

El realizados experimentos y manipulación de los peces están en consonancia con la legislación de Bienestar Animal de alemán (Deutsches Tierschutzgesetz) y aprobaron por el oficial de bienestar animal interno Dr. Urs Gießelmann, Universidad de Siegen y la (de las autoridades regionales Kreisveterinäramt Siegen-Wittgenstein; Número de permiso: 53,6 55-05). 1. pescado virtual diseño Nota: Encontrar una lista del hardware necesario y el software …

Representative Results

Siguiendo el protocolo, utilizamos FishSim para crear animaciones de computadora de aletón virtual molly machos y hembras. Además utilizamos el toolchain para presentar animaciones para vivir las hembras focal en una situación de elección binaria para llevar a cabo un experimento MCC, según el procedimiento experimental descrito en la figura 1 y el paso 5 del protocolo. Para determinar…

Discussion

El punto grávido en hembras de aletón molly fue descrito previamente para servir como un medio de anuncio de fertilidad hacia machos conespecíficos⁵⁹^,⁶⁰. Si un punto grávido puede también proporcionar la información a las hembras conespecíficos en el contexto de la elección de pareja había no se han probado hasta ahora. En el presente estudio de caso, investigamos el papel potencial de un punto grávido como fuente de información pública para la observ…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue financiado por la Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG (WI 1531/12-1 KW y SG) y KU 689/11-1 a KDK, KM y JMH. Agradecemos sinceramente el programa Alemania DAAD RISE para proporcionar y organizar una pasantía de investigación entre SG y DB (financiamiento-ID: 57346313). Agradecemos a paso para la financiación de DB con un premio de prácticas de investigación aumento de Globalink (FR21213). Le rogamos gracias Aaron Berard por invitarnos a presentar FishSim a los lectores de JoVE y Alisha DSouza así como tres revisores anónimos por sus valiosos comentarios sobre una versión anterior del manuscrito.

Materials

Hardware
2x 19" Belinea LCD displays	Belinea GmbH, Germany	Model 1970 S1-P	1280 x 1024 pixels resolution
1x 24" Fujitsu LCD display	Fujitsu Technology Solutions GmbH, Germany	Model B24-8 TS Pro	1920 x 1080 pixels resolution
Computer			Intel Core 2 Quad CPU Q9400 @ 2.66GHz x 4, GeForce GTX 750 Ti/PCIe/SSE2, 7.8 GiB memory, 64-bit, 1TB; keyboard and mouse
SONY Playstation 3 Wireless Controller	Sony Computer Entertainment Inc., Japan	Model No. CECHZC2E	USB-cable for connection to computer
Glass aquarium			100 cm x 40 cm x 40 cm (L x H x W)
Plexiglass cylinder	custom-made		49.5 cm height, 0.5 cm thickness, 12 cm diameter; eight small holes (approx. 5 mm diameter) drillt close to the end of the cylinder lower the amount of water disturbance while releasing the fish
Gravel
2x OSRAM L58W/965	OSRAM GmbH, Germany		Illumination of the experimental setup
2x Stopwatches
Name	Company	Catalog Number	Comments
Software
ubuntu 16.04 LTS			Computer operating system; Download from: https://www.ubuntu.com/
FishSim Animation Toolchain v.0.9			Software download and user manual (PDF) from: https://bitbucket.org/EZLS/fish_animation_toolchain
GIMP Gnu Image Manipulation Program (version 2.8.22)			Download from: https://www.gimp.org/

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Gierszewski, S., Baker, D., Müller, K., Hütwohl, J., Kuhnert, K., Witte, K. Using the FishSim Animation Toolchain to Investigate Fish Behavior: A Case Study on Mate-Choice Copying In Sailfin Mollies. J. Vis. Exp. (141), e58435, doi:10.3791/58435 (2018).