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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Behavior

En utilisant les outils de compilation FishSim Animation pour enquêter sur le comportement du poisson : une étude de cas sur la copie de-choix d’un partenaire en Sailfin Mollies

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

En utilisant les nouveaux outils de compilation FishSim Animation, nous présentons un protocole pour une manipulation visuelle non invasif de l’information dans le contexte du choix d’un partenaire copie dans sailfin mollies. FishSim Animation Toolchain fournit un cadre facile à utiliser pour la conception, l’animation et la présentation de stimuli poisson animation par ordinateur pour les expériences comportementales poissons vivants.

Abstract

Durant la dernière décennie, employant des animations informatiques pour la recherche sur le comportement animal a augmenté en raison de sa capacité à manipuler non invasive l’apparence et le comportement des stimuli visuels, par rapport à la manipulation des animaux vivants. Nous présentons ici la FishSim Animation Toolchain, un cadre logiciel mis au point pour fournir aux chercheurs une méthode facile à utiliser pour l’application des animations 3D par ordinateur dans des expériences comportementales avec poissons. Les outils de compilation propose des modèles pour créer des stimuli 3D virtuels de cinq espèces de poissons différents. Stimuli sont personnalisables en apparence et en taille, basée sur des photographies prises de poissons vivants. Plusieurs stimuli peuvent être animés en enregistrant la natation des chemins dans un environnement virtuel à l’aide d’un contrôleur de jeu vidéo. Pour accroître la normalisation du comportement simulé, le chemin d’accès de natation préenregistrés peut-être être relu avec différents stimuli. Plusieurs animations plus tard peuvent être organisées en playlist et présentées sur les écrans au cours d’expériences avec des poissons vivants.

Dans une étude de cas avec sailfin mollies (Poecilia latipinna), nous fournissons un protocole sur la façon de mener une expérience de copie-choix d’un partenaire avec FishSim. Nous utilisé cette méthode pour créer et animer virtuels mâles et femelles de mannequin virtuel et ensuite présenté ces pour vivre les femmes focales dans une expérience de choix binaire. Nos résultats démontrent que l’animation par ordinateur peut-être être utilisée pour simuler des poissons virtuels dans une expérience de copie-choix d’un partenaire pour enquêter sur le rôle des femelles gravides taches comme une indication de qualité pour une femme modèle à la copie choix d’un partenaire.

En appliquant cette méthode n’est pas limitée aux expériences de copie-choix d’un partenaire, mais peut être utilisé dans différents modèles expérimentaux. Pourtant, sa facilité d’utilisation dépend des capacités visuelles de l’espèce étudiée et a tout d’abord besoin de validation. Dans l’ensemble, animations informatiques offrent un degré élevé de contrôle et de normalisation dans les expériences et garder le potentiel pour « réduire » et « remplacer » animaux vivants relance ainsi quant à « affiner » les procédures expérimentales.

Introduction

Récemment, utilisant des techniques modernes pour la création de stimuli artificiels, tels que des animations informatiques et réalité virtuelle, a trouvé sa popularité en recherche¹. Ces méthodes offrent plusieurs avantages par rapport aux approches expérimentales classiques avec stimulation vivants animaux¹^,². Animation par ordinateur permet une manipulation non invasif de l’aspect (taille, couleur) et le comportement des animaux virtuels stimulus d’expérimentation. Par exemple, l’ablation chirurgicale de l’épée en xiphophore vert mâle (Xiphophorus helleri) pour tester les préférences de compagnon dans les femelles³ rendait inutile à l’aide d’animation par ordinateur dans une étude ultérieure sur cette espèce⁴. En outre, animations informatiques peuvent créer des phénotypes qui sont rarement rencontrés dans la nature,⁵. Caractéristiques morphologiques des animaux virtuels peuvent même être modifiés au-delà de l’aire de répartition naturelle de cette espèce⁴. En particulier, la possible manipulation systématique du comportement est un avantage majeur de l’animation par ordinateur, puisqu’il est presque impossible avec animaux vivants⁶^,⁷.

Diverses techniques existent à ce jour pour créer des animations informatiques. En général, des animations (2D) deux dimensions simples dérivent d’une photo d’un stimulus se déplaçant dans les deux seules dimensions et peuvent être créées avec un logiciel commun comme MS PowerPoint⁸ ou Adobe After Effects⁹. Les animations (3D) en trois dimensions, qui nécessitent plus sophistiqués graphiques 3D logiciel de modélisation, activez le stimulus être déplacé en trois dimensions, augmentant les possibilités de mouvement physique réaliste et complexe⁶^,⁷ ^, ¹⁰ ^, ¹¹ ^, ¹². même de réalité virtuelle qui simulent un environnement 3D où naviguer dans les animaux vivants ont été utilisé¹³^,¹⁴. Dans un récent examen Thuly-Chouinard et al. ² discuter ces techniques une par une et mettre en évidence les avantages et les inconvénients sur leur mise en œuvre dans la recherche, qui dépend notamment de la portée de l’étude et les capacités visuelles de l’animal (voir « Discussion »). En outre, Powell et Rosenthal¹⁵ donner des conseils sur la conception expérimentale appropriée et quelles questions peuvent être adressées en utilisant des stimuli artificiels dans la recherche sur le comportement animal.

Étant donné que la création d’animation par ordinateur peut être longue et difficile, le besoin de logiciels faciliter et uniformiser le processus de conception de l’animation est née. Dans cette étude, nous introduisons la libre et open-source Toolchain Animation FishSim ¹⁶ (abrégé : FishSim ; https://bitbucket.org/EZLS/fish_animation_toolchain/), une approche multidisciplinaire combinant biologie et en sciences informatiques pour répondre à ces besoins. Semblable au plus tôt publié outil anyFish¹⁷^,¹⁸, le développement de la chaîne d’outils de suivi le but de fournir aux chercheurs une méthode facile à utiliser pour la mise en œuvre des stimuli 3D animés dans des expériences avec des poissons. Notre logiciel est constitué d’un ensemble d’outils qui peut être utilisé pour : (1) créer des poissons virtuels 3D (FishCreator), (2) animer les chemins de nage des poissons virtuels avec un contrôleur de jeu vidéo (FishSteering) et (3) organisent et présentent préenregistrés animations sur les moniteurs de vivre poissons focal (FishPlayer). Notre chaîne d’outils fournit diverses fonctionnalités qui sont particulièrement utiles pour tester dans une situation de choix binaire mais également applicables à d’autres modèles expérimentaux. De plus, l’animation possible de deux ou plusieurs poissons virtuels permet la simulation de bancs ou de parade nuptiale. Les animations ne sont pas liées à un stimulus spécifique mais peuvent être rejouées avec autres stimuli permettant de modifier l’apparence d’un stimulus, mais garder son comportement constant. La nature open source de la chaîne de compilation, ainsi que le fait qu’il repose sur le système d’exploitation de robot ROS (www.ros.org), fournir la grande modularité du système et offrent des possibilités presque infinies pour inclure des dispositifs de rétroaction externe (comme le contrôleur ou un système de suivi) et d’adapter les outils de compilation pour ses propres besoins dans la recherche. Outre le molly sailfin, quatre autres espèces sont actuellement utilisables : l’Atlantique molly Poecilia mexicana, le guppy Poecilia reticulata, l’épinoche à trois épines Gasterosteus aculeatus et un cichlidé Haplochromis spp. Nouvelles espèces peuvent être créés dans un graphisme 3D modélisation outil (p. ex., Blender, www.blender.org). Pour illustrer le flux de travail avec FishSim et de fournir un protocole sur la façon de mener une expérience de copie-choix d’un partenaire avec l’animation par ordinateur, nous avons réalisé une étude de cas avec sailfin mollies.

Choix d’un partenaire est l’une des décisions plus importantes animaux font dans leur histoire de vie. Animaux ont développé des stratégies différentes pour trouver les meilleurs partenaires de l’accouplement. Ils peuvent se prévaloir des informations personnelles lors de l’évaluation de potentiel accouplement partenaires indépendamment, éventuellement selon les préférences de génétiques prédéterminés pour un certain caractère phénotypique¹⁹^,²⁰. Mais elles peuvent aussi observer le choix d’un partenaire de leurs congénères et ainsi utiliser l’information²¹. Si l’observateur décide alors de choisir le même maté (ou le même phénotype) comme le conspécifiques observés — le « modèle » — choisi précédemment, il s’agit alors la copie choix d’un partenaire (ci-après abrégé en MCC)²²^,²³. Choix d’un partenaire copie est une forme d’apprentissage social et, partant, une stratégie de choix d’un partenaire dépendant²⁴, qui a été observé dans les deux vertébrés²⁵^,²⁶^,²⁷^,²⁸^, ²⁹ et invertébrés³⁰^,³¹^,³². Jusqu’à présent, CMC a été étudié principalement dans le poisson et se trouve sous le laboratoire conditions³³^,³⁴^,³⁵^,³⁶^,³⁷^,³⁸ et en le sauvage³⁹^,⁴⁰^,⁴¹^,⁴². Choix d’un partenaire la copie est particulièrement utile pour un particulier, si deux ou plusieurs partenaires potentiels d’accouplements sont apparemment semblables en qualité et un choix d’un « bon » partenaire — en termes de maximisation de remise en forme, est difficile de faire⁴³. La qualité d’un modèle féminin elle-même peut affecter si les femelles focales copier son choix ou pas⁴⁴^,⁴⁵^,⁴⁶^,⁴⁷. Respectivement, modèle « bonne » ou « mauvaise » qualité féminine a été attribuée à son étant plus ou moins connu dans le choix d’un partenaire, par exemple en ce qui concerne la taille et l’âge⁴⁴^,⁴⁵^,⁴⁶, ou par son être un congénère ou un hétérospécifiques⁴⁷. Dans sailfin mollies que copier le choix d’un partenaire de leurs congénères³⁹^,⁴⁸^,⁴⁹^,⁵⁰^,⁵¹, on a constaté que les femelles focales même copier le rejet d’un mâle⁵². Étant donné que le MCC est censé jouer un rôle important dans l’évolution des caractères phénotypiques ainsi que la spéciation et hybridation²¹^,²³^,⁵³^,⁵⁴, les conséquences de la copie une » » faux dilemme peut être considérable dans la réduction de l’aptitude du copieur⁵⁵. Si un individu décide de copier le choix d’un autre individu, qu’il est important d’évaluer si le modèle observé est une source fiable d’information, c’est-à-dire que le modèle lui-même fait un « bon » choix à cause de lui ou elle est bien connu dans Second choix. Ici se pose la question : Quelles sont les caractéristiques visuelles susceptibles de caractériser un modèle fiable pour copier à partir chez les femelles de sailfin molly ?

Une particularité visuelle sailfin femelle mollies et autres Poeciliidae est l’endroit gravide (également connu sous le nom de « anal spot », « plaque incubatrice » ou « grossesse spot »). Cette zone fortement pigmentée dans leur région anale dérive de mélanisation du tissu tapissant le sac ovarien⁵⁶. La taille et la présence de la tache gravide varient à travers les femelles conspécifiques et peuvent changer plus individuellement au cours de la progression des cycles ovariens⁵⁶^,,⁵⁷. Taches gravides peuvent servir à attirer les mâles et faciliter l’orientation de l’intromission pour insémination interne⁵⁸ ou comme moyen de publicité fertilité⁵⁹^,⁶⁰. Compte tenu du lien entre l’endroit gravide et statut reproductif de la femelle, nous avons prédit que l’endroit gravide sert comme un signe de la qualité des modèles féminins en fournissant des informations sur son état actuel de reproduction pour observer les femelles focales. Nous avons étudié deux hypothèses de rechange. Tout d’abord, si l’endroit gravide est un signe général de maturité, tel que prédit par Farr et Travis⁵⁹, il dénote un modèle sans doute fiable et expérimenté par rapport à un modèle immature (sans la tache). Ici, les femmes focales sont plus susceptibles de copier le choix d’un modèle avec une tache, mais pas celle d’un modèle sans un endroit. Deuxièmement, si l’endroit gravide marque non-réceptivité à cause déjà des couvées, tel que prédit par Sumner et al. ⁶⁰, le modèle est sans doute moins fiable puisqu’une femelle non réceptive serait considérée moins exigeants. Dans ce cas, focales femelles ne copiera pas leur choix mais celui de modèles sans tache. Jusqu’ici, le rôle du spot gravide pour MCC chez les femelles de sailfin molly a jamais été testé, ni manipulé expérimentalement.

Nous permettant de réaliser une expérience MCC en présentant des stimulus virtuel mâles et femelles de le mannequin virtuel sur des écrans d’ordinateur au lieu d’utiliser la stimulation direct et le modèle poisson tel qu’utilisé dans la procédure expérimentale classique⁴⁹^,^{50 FishSim} ^,⁵¹^,,⁶¹. La facilité d’utilisation générale de notre logiciel a été préalablement validée pour tester des hypothèses sur le choix d’un partenaire en sailfin mollies¹². Ici, nous avons vérifié si l’absence ou la présence d’une tache gravide chez les femelles mannequin virtuel influe sur le choix d’un partenaire d’observer les femelles focales direct. Nous laissons tout d’abord les femelles focales s’acclimater à la cuve d’essai (Figure 1.1) et laissez-les choisir entre deux mâles différents stimulus virtuel dans un test de second choix (Figure 1.2). Par la suite, au cours de la période d’observation, le préalable mâle virtuel non préférés a été présenté avec une femme mannequin virtuel (Figure 1.3). Dans un essai subséquent de choix d’un partenaire deuxième, focales femelles a choisi à nouveau entre les mâles mêmes (Figure 1.4). Nous avons analysé si focales femelles avaient copié le choix d’un partenaire de la femelle modèle observée en comparant sa décision choix d’un partenaire dans le critère de choix d’un partenaire premier et deuxième. Nous avons effectué deux différents traitements expérimentaux dans lequel nous avons manipulé visuellement la qualité de la femelle du mannequin virtuel. Au cours de la période d’observation, nous avons présenté soit le préalable non préférés virtuel mâle (1) avec une femme mannequin virtuel avec une tache gravide (traitement « spot ») ; ou (2) avec une femme mannequin virtuel sans un endroit gravide (traitement « sans tache »). En outre, dans un contrôle sans n’importe quelle femelle modèle, nous avons vérifié si les femelles focales choisi systématiquement quand aucune information publique a été fournie.

Figure 1. Aperçu général des mesures expérimentales plus importantes pour une expérience MCC à l’aide de stimuli poissons virtuels. (1) période d’acclimatation. Test de second choix (2) : femelle focale direct choisit entre mâles virtuels stimulation. Période d’observation (3) : focal montres préalable non préférés mâle avec une femelle de modèle virtuel avec spot gravides. (4) -choix d’un partenaire deuxième essai : la femelle focale choisit à nouveau entre mâles de stimulation virtuelle. Dans cet exemple, elle copie le choix du modèle. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Protocol

Les expériences effectuées et la manutention du poisson étaient conformes à la législation du bien-être Animal allemand (Deutsches Tierschutzgesetz) et approuvé par le directeur du bien-être animal interne Dr Urs Gießelmann, Université de Siegen et les autorités régionales ( Kreisveterinäramt Siegen-Wittgenstein ; Numéro de permis : 53,6 55-05). 1. virtuel poisson Design Remarque : Trouver une liste du matériel et du logiciel dans la…

Representative Results

Suite au protocole, nous avons utilisé FishSim pour créer des animations d’ordinateur virtuel sailfin molly mâles et femelles. Plus loin, nous avons utilisé les outils de compilation de présenter des animations à vivre les femmes focales dans une situation de choix binaire pour réaliser une expérience MCC conformément à la procédure expérimentale décrite dans la Figure 1 et l’étape 5 du protocole. <p class="jove_content" fo:keep…

Discussion

L’endroit gravide chez les femelles de sailfin molly a été décrit précédemment pour servir comme moyen de publicité de fertilité vers mâles conspécifiques⁵⁹^,⁶⁰. Si une tache gravide peut-être aussi fournir des informations aux femelles conspécifiques dans le cadre du choix d’un partenaire n’avait pas été testé jusqu’à présent. Dans la présente étude de cas, nous avons examiné le rôle potentiel d’un spot gravide comme source d’informati…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par la Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG (WI 1531/12-1 KW et SG) et KU 689/11-1 à KDK, KM et JMH. Nous remercions sincèrement le programme DAAD RISE Allemagne pour offre et organisation d’un stage de stage de recherche entre SG et DB (financement-ID : 57346313). Nous sommes reconnaissants à Mitacs pour financement DB avec une bourse de stage de recherche de lieu-Globalink (FR21213). Nous vous prions remercier Aaron Berard pour nous invitant à présenter FishSim le lectorat de JoVE et Alisha DSouza ainsi que trois évaluateurs anonymes pour leurs précieux commentaires sur une version antérieure du manuscrit.

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).