Met behulp van de FishSim animatie Toolchain te onderzoeken vis gedrag: een Case-studie over de keuze van de partner-kopiëren In Sailfin Mollies

Onlangs, met behulp van moderne technieken voor het creëren van kunstmatige stimuli, zoals computer animaties en virtual reality, oogstte populariteit in onderzoek¹. Deze methoden bieden verschillende voordelen in vergelijking met klassieke experimentele benaderingen met live stimulans dieren^1,2. Computeranimatie kan niet-invasieve manipulatie van de verschijning (grootte, kleur) en gedrag van virtuele stimulans proefdieren. Bijvoorbeeld, werd de chirurgische verwijdering van het zwaard in mannelijke groene swordtails (Xiphophorus helleri) partner voorkeuren in vrouwtjes³ testen teruggegeven geen onnodige met behulp van computeranimatie in een latere studie over deze soorten⁴. Bovendien kunnen computer animaties maken fenotypen die slechts zelden worden aangetroffen in natuur⁵ Morfologische kenmerken van virtuele dieren kunnen zelfs buiten het natuurlijke verspreidingsgebied van die soorten⁴worden gewijzigd. Met name, is de mogelijke systematische manipulatie van gedrag een groot voordeel van computeranimatie, want het is bijna onmogelijk met levende dieren^6,7.

Verschillende technieken bestaan tot nu toe voor het maken van computer animaties. Eenvoudige tweedimensionale (2D) animaties meestal afkomstig zijn uit een afbeelding van een stimulus verplaatsen in slechts twee dimensies en met gemeenschappelijke software zoals MS PowerPoint⁸ of Adobe After Effects⁹kunnen worden gemaakt. Driedimensionale (3D) animaties, waarvoor meer geavanceerde 3D-graphics software modellering, kunnen de prikkel moet worden verplaatst in drie dimensies, toenemende mogelijkheden voor realistische en complexe fysieke beweging^{6,7 , 10 , 11 , 12}. zelfs virtuele realiteit designs die simuleren van een 3D-omgeving waar levende dieren navigeren zijn gebruikte^13,14. In een recente review Chouinard-Thuly et al. ² deze technieken één voor één te bespreken en wijzen op voor- en nadelen over hun uitvoering in onderzoek, die met name afhankelijk van het bestek van de studie en de visuele capaciteiten van het proefdier (zie “Bespreking”). Bovendien, Powell en Rosenthal¹⁵ adviseren over passende proefopzet en welke vragen kan worden aangesproken door gebruik te maken van kunstmatige prikkels in dierlijk gedrag onderzoek.

Aangezien maken van computeranimatie kan moeilijk en tijdrovend, ontstond de behoefte aan software te vereenvoudigen en standaardiseren het proces van animatie ontwerp. In deze studie, introduceren we de gratis en open-source FishSim animatie Toolchain¹⁶ (korte: FishSim; https://bitbucket.org/EZLS/fish_animation_toolchain/), een multidisciplinaire aanpak voor het combineren van biologie en informatica om deze behoeften. Vergelijkbaar met de eerder gepubliceerde gereedschap anyFish^17,18, de ontwikkeling van de toolchain gevolgd het doel om onderzoekers te voorzien van een easy-to-use-methode voor de uitvoering van geanimeerde 3D prikkels in experimenten met vis. Onze software bestaat uit een set van instrumenten die kunnen worden gebruikt om: (1) het maken van 3D virtuele vis (FishCreator), (2) animatie de zwemmen paden van de virtuele vissen met een video game controller (FishSteering), en (3) structureren en presenteren vooraf opgenomen animaties op monitoren te leven focal vis (FishPlayer). Onze toolchain biedt verschillende functies die zijn vooral handig voor het testen van in een binaire keuze situatie maar ook van toepassing op andere experimentele designs. Bovendien, de mogelijke animatie van twee of meer virtuele vis kunt de simulatie van scholende of verkering. Animaties zijn niet gebonden aan een specifieke stimulus maar met andere stimuli waardoor het kan veranderen het uiterlijk van een stimulans, maar haar gedrag constant kunnen worden overgespeeld. Het open-source karakter van de toolchain, evenals het feit dat het is gebaseerd op het besturingssysteem van de robot ROS (www.ros.org), hoge modulariteit van het systeem en bieden bijna eindeloze mogelijkheden om externe feedback apparaten (als de controller of een tracking systeem) en aan te passen de toolchain aan iemands eigen behoeften in onderzoek. Naast de sailfin molly, vier andere soorten worden momenteel bruikbaar: de Atlantische molly Poecilia mexicana, de guppy Poecilia reticulata, de Driedoornige stekelbaars Gasterosteus aculeatus en een cichlid Haplochromis spp. Nieuwe soorten kunnen worden gemaakt in een 3D grafische tool (b.v., Blender, www.blender.org) modellering. Te illustreren de werkstroom met FishSim en een protocol over hoe doe een experiment stuurman-keuze kopiëren met computeranimatie, we een casestudy met sailfin mollies uitgevoerd.

Keuze van de partner is een van de belangrijkste beslissingen die dieren in de geschiedenis van hun leven maken. Dieren geëvolueerd verschillende strategieën voor het vinden van de beste paring partners. Zij zich beroepen op persoonlijke informatie bij de beoordeling van potentieel paring partners zelfstandig, eventueel volgens vooraf bepaalde genetische voorkeuren voor een bepaalde fenotypische trait^19,20. Ze kunnen echter ook observeren de keuze van de partner van soortgenoten en daarmee gebruik maken van overheidsinformatie²¹. Indien de waarnemer vervolgens besluit om te kiezen van de dezelfde mate (of het hetzelfde fenotype) als de waargenomen conspecific — het “model” — eerder gekozen, heet dit partner-keuze kopiëren (hierna afgekort als MCC)^22,23. Stuurman-keuze kopiëren is een vorm van sociaal leren en, vandaar, een niet-zelfstandige stuurman-keuze strategie²⁴, die is waargenomen in beide gewervelde dieren^{25,26,27,28, 29} en ongewervelden^30,31,32. Tot nu toe MCC overwegend in vis werd bestudeerd en wordt gevonden onder laboratorium voorwaarden^33,34,35,^,36,^,37,38 zowel in de Wild^39,40,41,42. Stuurman-keuze kopiëren is vooral waardevol voor een individu als twee of meer potentiële paring partners zijn blijkbaar qua kwaliteit, en de keuze van een “goede” stuurman — in termen van het maximaliseren van fitness — is moeilijk te maken van⁴³. De kwaliteit van een vrouwelijke model zelf kan beïnvloeden of focal vrouwtjes haar keuze of niet^44,45,46,47kopiëren. Respectievelijk de vrouwelijke kwaliteit van “goed” of “slecht” model is toegeschreven aan haar min of meer verkeert in de stuurman keuze, bijvoorbeeld met betrekking tot de grootte en leeftijd^44,45,46, of doordat haar een conspecific of een heterospecific-⁴⁷. In sailfin mollies die de keuze van de partner van soortgenoten^{39,48,49,50,51 kopieert}, bleek dat de focal vrouwtjes zelfs de afwijzing van een man^{52 kopiëren} . Aangezien MCC wordt beschouwd als een belangrijke rol spelen in de evolutie van de fenotypische eigenschappen evenals speciatie en kruising^21,23,53,^,54, de gevolgen van het kopiëren van een ” valse”keuze kan worden enorm bij het verminderen van de geschiktheid van de kopieermachine⁵⁵. Als een persoon beslist te kopiëren van de keuze van een ander individu, dat het is belangrijk om te beoordelen of de waargenomen model een betrouwbare bron van informatie, dat wil zeggen is, dat het model zelf is het maken van een “goede” keuze als gevolg van hem of haar wordt goed ervaren in stuurman keuze. Hier rijst de vraag: welke visuele functies kunnen een betrouwbaar model kopiëren vanuit in sailfin molly vrouwtjes karakteriseren?

Een duidelijke visuele functie in vrouwelijke sailfin mollies en andere Poeciliids is de gravid plek (ook bekend als ‘anale spot’, ‘brood patch’ of ‘zwangerschap ter plaatse’). Dit darkly gepigmenteerde gebied in hun anale regio is afgeleid van de melanization van het weefsel voering de ovariële OSS-⁵⁶. De grootte en de aanwezigheid van de gravid ter plaatse zijn variabele over conspecific vrouwtjes en verdere individueel kunnen veranderen tijdens de progressie van ovariële cycli^56,57. Gravid plekken kunnen dienen om de mannetjes aan te trekken en gonopodial richting voor interne inseminatie⁵⁸ of als een middel van reclame vruchtbaarheid^59,60te vergemakkelijken. Gezien de koppeling tussen de gravid plek en een vrouw reproductieve status, wij voorspeld dat de gravid vlek als een teken van model vrouwelijke kwaliteit fungeert door informatie te verstrekken over haar reproductieve stand te observeren focal vrouwtjes. We onderzochten twee alternatieve hypothesen. Ten eerste, als de gravid plek een algemene teken voor looptijd, zoals voorspeld door Farr en Travis^{59 is}, duidt het een vermoedelijk betrouwbare en ervaren model ten opzichte van een onvolwassen model (zonder de plek). Hier, hebben focal vrouwtjes meer kans om te kopiëren van de keuze van een model met een plek, maar niet die van een model zonder een plek. Ten tweede, als de gravid plek markeert niet-ontvankelijkheid als gevolg van al broedsels, zoals voorspeld door Sumner et al. ontwikkelen ⁶⁰, het model is vermoedelijk minder betrouwbaar omdat niet-ontvankelijke vrouwtjes zou worden beschouwd als minder kieskeurig. In dit geval zal focal vrouwtjes hun keuze maar van modellen zonder vlek niet kopiëren. Tot nu toe heeft de rol van de gravid plek voor MCC in sailfin molly vrouwtjes nooit zijn getest, noch experimenteel gemanipuleerd.

We FishSim gebruikt voor het uitvoeren van een experiment MCC door virtuele stimulans mannetjes en vrouwtjes van de Virtuele Maquette over computer-monitoren in plaats van met behulp van live stimulus en model vis zoals gebruikt in de klassieke experimentele procedure^{49,50 ,51,61}. De algemene bruikbaarheid van onze software is eerder gevalideerd voor het testen van hypothesen over de keuze van de partner in sailfin mollies¹². Hier, we hebben getest of de afwezigheid of de aanwezigheid van een gravid plek in Virtuele Maquette vrouwtjes is van invloed op de keuze van de partner van het observeren van levende focal vrouwtjes. Eerst laten we focal vrouwtjes acclimatiseren aan de test tank (Figuur 1.1) en laat ze kiezen tussen twee verschillende virtuele stimulans mannetjes in een eerste stuurman-multiple-choice test (Figuur 1.2). Daarna, tijdens de observatieperiode, de voorafgaande niet mijn voorkeur virtuele man werd gepresenteerd samen met de vrouw van een virtueel model (Figuur 1.3). In een latere tweede stuurman-keuze test koos focal vrouwtjes weer tussen de dezelfde mannetjes (Figuur 1.4). We geanalyseerd of focal vrouwtjes had gekopieerd en de keuze van de partner van de waargenomen model vrouw door haar partner-keuze besluit in de eerste en tweede stuurman-keuze test vergelijken. We twee verschillende experimentele behandelingen waarin we visueel gemanipuleerd de kwaliteit van de Virtuele Maquette vrouw uitgevoerd. Tijdens de observatieperiode presenteerde we ofwel het voorafgaande niet mijn voorkeur virtuele mannetje (1) samen met de vrouw van een virtueel model met een gravid plek (“spot” behandeling); of (2) samen met de vrouw van een virtueel model zonder een gravid vlek (“geen spot” behandeling). Bovendien, in een besturingselement zonder elk model vrouwelijk, of wij getest focal vrouwtjes koos consequent wanneer geen openbare informatie werd verstrekt.

Figuur 1. Algemeen overzicht van de belangrijkste experimentele stappen voor een experiment van de MCC met behulp van virtuele vis prikkels. (1) acclimatisatie periode. (2) eerste stuurman-multiple-choice test: live focal vrouwtje kiest tussen virtuele stimulans mannetjes. (3) observatieperiode: focal vrouw horloges de voorafgaande niet mijn voorkeur man samen met een Virtuele Maquette vrouw met gravid plek. (4) tweede stuurman-keuze test: het focal vrouwtje kiest weer tussen virtuele stimulans mannetjes. In dit voorbeeld kopieert ze de keuze van het model. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.