שילוב מספר הפסיכופיזיקלי בתוך מבוך Y כדי לבודד את התפקיד שתכונות חזותיות משחקות בהחלטות ניווט
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול להפגין שיטת התנהגות המדגימה את האופן שבו מאפיינים חזותיים חלופיים, כגון אותות תנועה, משפיעים על החלטות כיווניות בדגים. נתונים מייצגים מוצגים על המהירות והדיוק שבו שיינר הזהב (הערות Crysoleucas) לעקוב אחר תנועות דגים וירטואליים.
Abstract
התנהגות קולקטיבית של החיות נובעת ממניעים אישיים ואינטראקציות חברתיות החיוניות לכושר אישי. לדגים הרבה מאוד חקירות בהשראת התנועה הקולקטיבית, במיוחד, יכולתם לשלב מידע סביבתי וחברתי על פני ההקשרים האקולוגיים. הפגנה זו ממחישה טכניקות המשמשות לכמת את התגובות ההתנהגותית של דגים, במקרה זה, הזהב הפנס (הערות קריומיקויוס), לגירויים חזותיים באמצעות הדמיית מחשב וניתוח תמונה דיגיטלית. הפיתוחים האחרונים בהדמיה ממוחשבת מאפשרים בדיקה אמפירית במעבדה שבה ניתן לשלוט בתכונות חזותיות ולהשפיע בעורמה כדי לבודד את מנגנוני האינטראקציות החברתיות. מטרת שיטה זו היא לבודד תכונות חזותיות שיכולות להשפיע על החלטות כיווניות של הפרט, בין אם בודד או עם קבוצות. פרוטוקול זה מספק פרטים בתחום הפיזי של מבוך Y, ציוד הקלטה, הגדרות וכיול של המקרן וההנפשה, שלבים ניסיוניים וניתוחי נתונים. טכניקות אלה מציגות שהנפשת המחשב עלולה לעורר תגובות ביולוגית בעלת משמעות. כמו-כן, הטכניקות מסתגלות בקלות לבדיקת השערות, תחומים ומינים חלופיים למגוון רחב של יישומים ניסיוניים. השימוש בגירויים וירטואליים מאפשר הפחתה והחלפה של מספר בעלי החיים החיים הנדרשים, וכתוצאה מכך מפחית את הוצאות המעבדה.
הפגנה זו בודקת את ההשערה כי הבדלים יחסיים קטנים במהירויות התנועה (2 אורך הגוף לשנייה) של הקשר הווירטואלי ישפרו את המהירות ואת הדיוק שבו הנוצצים לעקוב אחר רמזים כיוונים שסופקו על ידי הווירטואלי צלליות. תוצאות מראות כי החלטות שינרים כיוונית מושפעים באופן משמעותי על ידי עליות במהירות של רמזים חזותיים, אפילו בנוכחות של רעש רקע (67% התמונה קוהרנטיות). בהעדר הוראות תנועה, הנבדקים בחרו את ההנחיות שלהם באופן אקראי. הקשר בין מהירות ההחלטות ומהירות הרמיזה היה משתנה והגדילה במהירות האות הייתה השפעה צנועה בלתי פרופורציונלית על דיוק כיווני.
Introduction
בעלי חיים חשים ומפרשים את בית הגידול שלהם ברציפות כדי לקבל החלטות מושכלות בעת האינטראקציה עם אחרים וניווט בסביבה רועשת. אנשים יכולים לשפר את המודעות שלהם וקבלת החלטות על ידי שילוב מידע חברתי למעשיהם. מידע חברתי, עם זאת, נובע במידה רבה מן היסק באמצעות רמזים לא מכוונים (כלומר, תמרונים פתאומיים כדי למנוע טורף), אשר יכול להיות לא אמין, ולא באמצעות אותות ישירים אשר התפתחו כדי לתקשר הודעות ספציפיות (למשל, העגלה רקוד בדבורי דבש1. זיהוי האופן שבו אנשים מעריכים במהירות את הערך של רמזים חברתיים, או כל מידע חושי, יכול להיות משימה מאתגרת עבור חוקרים, במיוחד כאשר אנשים נוסעים בקבוצות. החזון ממלא תפקיד חשוב המסדירים אינטראקציות חברתיות2,3,4 ומחקרים הדגיבו את רשתות האינטראקציה שעלולות להתעורר בבתי ספר לדגים המבוססים על שדה השקפה5של כל אדם, . שישה מטרים בתי ספר לדגים הם מערכות דינמיות, עם זאת, ומקשה על בידוד תגובות בודדות לתכונות מסוימות, או התנהגויות שכנה, בשל הקוטביות הטבועה וגורמים מייסדים הנובעים מאינטראקציות בין חברי הקבוצה. מטרת פרוטוקול זה היא להשלים את העבודה הנוכחית על-ידי בידוד האופן שבו תכונות חזותיות חלופיות יכולות להשפיע על החלטות כיווניות של אנשים המטיילים לבד או בתוך קבוצות.
היתרון של הפרוטוקול הנוכחי הוא לשלב ניסוי מניפולטיבי עם טכניקות ויזואליזציה של המחשב כדי לבודד את התכונות החזותיות היסודיים שאדם עשוי לחוות בטבע. באופן ספציפי, Y-מבוך (איור 1) משמש לכווץ בחירה כיוונית לתגובה בינארית ולהציג תמונות אנימציה מחשב שנועד לחקות את התנהגויות שחייה של שכנים וירטואליים. תמונות אלה מוקרן מתחת למבוך לחקות את הצלליות של שחייה הפרטים מתחת אחד או יותר הנושאים. המאפיינים החזותיים של צלליות אלה, כגון מורפולוגיה, מהירות, קוהרנטיות, והתנהגות שחייה מותאמים בקלות כדי לבדוק השערות חלופיות7.
נייר זה מדגים את כלי השירות של גישה זו על ידי בידוד כיצד אנשים של מודל מיני דגים חברתיים, את הפנס הזהוב (הקפאת מיגונאס), להגיב למהירות היחסית של שכנים וירטואליים. מוקד הפרוטוקול, כאן, הוא האם ההשפעה הכוללת של השכנים הוירטואליים משתנה עם המהירות שלהם, ואם כן, מכמת את הצורה של מערכת היחסים הנצפתה. במיוחד, הרמז הכיווני נוצר על ידי בעל חלק קבוע של הצלליות לפעול כמנהיגים ולנוע באופן מידי לעבר זרוע אחת או אחרת. הצלליות הנותרות מתנהגות כשחקנים מתנווננים על-ידי הזזת באופן אקראי כדי לספק רעשי רקע שניתן לכוונן על-ידי התאמת יחס המנהיג/שחקן ההסיח. יחס המנהיגים להסיח את דעתו של האותות הכיוורים וניתן להתאימו בהתאם. הצלליות של השחקן יישארו מוגבלים לאזור ההחלטה (“DA”, איור 1A) על-ידי הצלליות שישקפו את הגבול. מנהיג צלליות, עם זאת, מותר לעזוב את אזור DA ולהיכנס לזרוע המיועד שלהם לפני התפוגגות לאט ברגע הצלליות חצה 1/3 אורך הזרוע. כאשר מנהיגים עוזבים את התובע המחוזי, מנהיג חדש צלליות לתפוס את מקומם ולשחזר את הנתיב המדויק שלהם כדי להבטיח כי היחס מנהיג/שחקן נשאר קבוע התובע המחוזי במהלך הניסוי.
השימוש בדגים וירטואליים מאפשר לשלוט במידע החושי החזותי, תוך ניטור התגובה היוונית של הנושא, העשוי לחשוף את המאפיינים החדשניים של ניווט חברתי, תנועה או קבלת החלטות בקבוצות. הגישה המשמשת כאן יכולה להיות מיושמת על מגוון רחב של שאלות, כגון השפעות של לחץ תת-קטלני או מחלה על אינטראקציות חברתיות, על ידי מניפולציה של אנימציה המחשב כדי לייצר דפוסים התנהגותיים של מורכבות שונות.
Protocol
Representative Results
Discussion
רמזים חזותיים ידועים להפעיל תגובה optomotor בדגים החשופים שחור ולבן13 , יש הגוברת הוכחה תיאורטית ואמפירית כי מהירות השכן ממלאת תפקיד השפעה בשליטה על אינטראקציות דינמיות נצפתה בבתי ספר לדגים7,14,15,16,<sup class="xr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנחנו מודים לבריטון הייקסון. על סיוע ההתקנה תוכנית זו נתמכת על ידי תוכנית המחקר הבסיסי, איכות הסביבה ומתקנים (EQI; ד ר אליזבט פרגוסון, מנהל טכני, ארה ב מרכז מחקר ופיתוח מהנדס צבאי.
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).
