在 Y-Maze 中集成视觉心理物理分析,以隔离视觉特征在导航决策中扮演的角色
Summary
在这里,我们提出一个协议来演示一种行为测定,该检测可以量化替代视觉特征(如运动提示)如何影响鱼的方向性决策。代表数据是提供的速度和准确性,其中金神(注意米格努斯冷冻)跟随虚拟鱼运动。
Abstract
集体动物行为产生于个人动机和社会交往,对个体健康至关重要。长期以来,鱼类激发了对集体运动的调查,特别是它们将环境和社会信息整合到整个生态环境中的能力。这个演示说明了用于量化鱼的行为反应的技术,在这种情况下,金神(注微子冷冻),使用计算机可视化和数字图像分析的视觉刺激。计算机可视化的最新进展允许在实验室中进行经验测试,在实验室中可以控制和精细地操作视觉特征,以隔离社交交互的机制。此方法的目的是隔离可能影响个人定向决策的视觉特征,无论是孤独还是组。该协议提供有关物理 Y 迷宫域、记录设备、投影机和动画的设置和校准、实验步骤和数据分析的具体细节。这些技术表明,计算机动画可以引起具有生物学意义的反应。此外,该技术易于适应,以测试替代假设、领域和物种,用于广泛的实验应用。使用虚拟刺激可以减少和替换所需的活体动物数量,从而减少实验室费用。
此演示检验了以下假设:虚拟同种物的运动速度(每秒 2 个体长)中的小相对差异将提高发光器遵循虚拟特性提供的方向提示的速度和准确性轮廓。结果表明,即使在背景杂色(67%图像一致性)的情况下,光照定向决策也会受到视觉提示速度增加的显著影响。在没有任何运动提示的情况下,受试者随机选择方向。决策速度和提示速度之间的关系是可变的,提示速度的增加对方向精度的影响是适度的不相称。
Introduction
动物不断感知和解释它们的栖息地,在与他人互动和在嘈杂的环境中航行时做出明智的决定。个人可以通过将社会信息纳入其行动来增强其情景意识和决策能力。然而,社会信息主要来源于通过意外的暗示(即避免捕食者的突然操作)的推论,这种暗示可能不可靠,而不是通过进化来传达特定信息的直接信号(例如,摇摆在蜜蜂跳舞)1。确定个人如何快速评估社会线索或任何感官信息的价值,对于调查人员来说可能是一项具有挑战性的任务,尤其是在个人成群结队旅行时。视觉在管理社会互动方面起着重要的作用2,3,4和研究已经推断出鱼学校中可能基于每个人的观点5的相互作用网络。 6.然而,鱼群是动态系统,由于群体成员之间的相互作用所产生的固有的共线性和混淆因素,很难分离个体对特定特征或邻居行为的反应。此协议的目的是通过隔离替代视觉特征如何影响单独旅行或团体内旅行的个人的方向决策来补充当前工作。
当前协议的好处是将操纵实验与计算机可视化技术相结合,以隔离个人在自然界中可能体验的基本视觉特征。具体来说,Y-maze(图1)用于将方向选择折叠到二进制响应,并引入计算机动画图像,旨在模拟虚拟邻居的游泳行为。这些图像从迷宫下方投影,以模仿在一个或多个主体下游泳的共分体的轮廓。这些剪影的视觉特征,如其形态,速度,一致性和游泳行为很容易定制,以测试替代假设7。
本文通过隔离模拟社会鱼类物种”金神”(Notemigonus crysoleucas)对虚拟邻居的相对速度的反应,证明了这种方法的效用。此处的协议焦点是虚拟邻居的方向影响是否随速度而变化,如果是,则量化观察到的关系形式。特别是,定向提示是由有固定比例的轮廓作为领导者,并朝着一个或另一个手臂弹道移动产生。其余轮廓充当干扰者,随机移动以提供背景噪声,可以通过调整引线/干扰器比率来调谐。引线与干扰者的比率可捕获方向提示的一致性,并可相应地进行调整。干扰器剪影仍然局限于决策区域(“DA”,图1A),通过让轮廓反射出边界。领导者剪影,但是,允许离开DA区域,并进入其指定的手臂,然后慢慢褪色,一旦剪影穿过1/3的手臂的长度。当领导者离开 DA 时,新的领导者剪影将取而代之,并追溯其确切路径,以确保在整个实验过程中,领导者/干扰者比例在 DA 中保持不变。
使用虚拟鱼可以控制视觉感官信息,同时监控主体的方向响应,这可能揭示社交导航、运动或群体决策的新特点。此处使用的方法可应用于广泛的问题,例如亚致命性压力或掠夺对社会互动的影响,方法是操纵计算机动画以产生不同复杂程度的行为模式。
Protocol
Representative Results
Discussion
视觉提示已知会触发暴露于黑白光栅13的鱼的光动响应,并且有越来越多的理论和实证证据表明,相邻速度在控制动态相互作用方面起着影响作用在鱼类学校观察7,14,15,16,17。对比假设存在,以解释群体中的个人如何整合邻居运动,例如对所有可识别的提示<sup class…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我们感谢布莱顿·希克森的设置帮助。该计划得到了基础研究计划、环境质量和装置(EQI;伊丽莎白·弗格森博士,技术总监),美国陆军工程师研发中心。
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).
