دمج الاختبارات النفسية الفيزيائية البصرية داخل متاهة Y لعزل الدور الذي تلعبه الميزات البصرية في القرارات الملاحية
Summary
هنا، نقدم بروتوكولًا لإظهار الفحص السلوكي الذي يحدد كيف تؤثر الميزات البصرية البديلة، مثل إشارات الحركة، على القرارات الاتجاهية في الأسماك. يتم عرض البيانات التمثيلية عن السرعة والدقة حيث الذهبي شينر(Notemigonus crysoleucas)تتبع حركات الأسماك الافتراضية.
Abstract
ينشأ السلوك الحيواني الجماعي من الدوافع الفردية والتفاعلات الاجتماعية التي تعتبر حاسمة للياقة البدنية الفردية. وقد ألهمت الأسماك منذ فترة طويلة التحقيقات في الحركة الجماعية، وعلى وجه التحديد، قدرتها على إدماج المعلومات البيئية والاجتماعية عبر السياقات الإيكولوجية. توضح هذه المظاهرة التقنيات المستخدمة في تحديد الاستجابات السلوكية للأسماك، في هذه الحالة، Golden Shiner(Notemigonus crysoleucas)،إلى المحفزات البصرية باستخدام التصور الحاسوبي وتحليل الصور الرقمية. تسمح التطورات الأخيرة في التصور الكمبيوتر لاختبار تجريبي في المختبر حيث يمكن التحكم في الميزات البصرية والتلاعب بها بدقة لعزل آليات التفاعلات الاجتماعية. الغرض من هذه الطريقة هو عزل الميزات البصرية التي يمكن أن تؤثر على القرارات الاتجاهية للفرد، سواء الانفرادي أو مع المجموعات. يوفر هذا البروتوكول تفاصيل عن نطاق متاهة Y المادية، ومعدات التسجيل، والإعدادات والمعايرة الخاصة بجهاز العرض والرسوم المتحركة، والخطوات التجريبية وتحليلات البيانات. وتبين هذه التقنيات أن الرسوم المتحركة الحاسوبية يمكن أن تثير استجابات ذات مغزى بيولوجي. وعلاوة على ذلك، فإن التقنيات قابلة للتكيف بسهولة لاختبار الفرضيات والمجالات والأنواع البديلة لمجموعة واسعة من التطبيقات التجريبية. استخدام المحفزات الافتراضية يسمح للحد من واستبدال عدد الحيوانات الحية المطلوبة، وبالتالي يقلل من النفقات العامة للمختبر.
هذا العرض التوضيحي يختبر فرضية أن الاختلافات النسبية الصغيرة في سرعات الحركة (2 أطوال الجسم في الثانية) من conspecifics الظاهري سوف يحسن السرعة والدقة التي اللمعان تتبع العظة الاتجاه التي تقدمها الظاهري الصور الظليه. تظهر النتائج أن القرارات الاتجاهية اللامعة تتأثر بشكل كبير بالزيادات في سرعة الإشارات البصرية، حتى في وجود الضوضاء الخلفية (67٪ coherency الصورة). في غياب أي إشارات الحركة، اختار المواضيع اتجاهاتها عشوائيا. وكانت العلاقة بين سرعة القرار وسرعة الإشارة متغيرة، وكان للزيادات في سرعة الإشارة تأثير متواضع غير متناسب على دقة الاتجاه.
Introduction
الحيوانات الشعور وتفسير بيئتها باستمرار لاتخاذ قرارات مستنيرة عند التفاعل مع الآخرين والتنقل محيط صاخبة. ويمكن للأفراد أن يعززوا وعيهم بالأوضاع واتخاذ القرارات عن طريق إدماج المعلومات الاجتماعية في أعمالهم. غير أن المعلومات الاجتماعية تنبع إلى حد كبير من الاستدلال من خلال إشارات غير مقصودة (أي المناورات المفاجئة لتجنب المفترس)، التي يمكن أن تكون غير موثوقة، بدلا ً من الإشارات المباشرة التي تطورت لإيصال رسائل محددة (على سبيل المثال، الوخز الرقص في نحل العسل)1. يمكن أن يكون تحديد كيفية تقييم الأفراد بسرعة لقيمة الإشارات الاجتماعية، أو أي معلومات حسية، مهمة صعبة بالنسبة للمحققين، لا سيما عندما يسافر الأفراد في مجموعات. الرؤية تلعب دورا هاما في إدارة التفاعلات الاجتماعية2،3،4 والدراسات استخلصت شبكات التفاعل التي قد تنشأ في مدارس الأسماك على أساس مجال رؤية كل فرد5، 6. مدارس الأسماك هي أنظمة ديناميكية، ومع ذلك، مما يجعل من الصعب عزل الاستجابات الفردية لميزات معينة، أو سلوكيات الجيران، وذلك بسبب الجوانب الخطية المتأصلة والعوامل المربكة التي تنشأ عن التفاعلات بين أعضاء المجموعة. والغرض من هذا البروتوكول هو استكمال العمل الحالي عن طريق عزل كيف يمكن للسمات البصرية البديلة أن تؤثر على القرارات الاتجاهية للأفراد المسافرين بمفردهم أو داخل المجموعات.
وتتمثل فائدة البروتوكول الحالي في الجمع بين تجربة التلاعب بتقنيات التصور الحاسوبي لعزل السمات البصرية الأولية التي قد يواجهها الفرد في الطبيعة. على وجه التحديد، يتم استخدام متاهة Y (الشكل 1) لطي خيار الاتجاه إلى استجابة ثنائية وإدخال الصور المتحركة الكمبيوتر مصممة لتقليد سلوكيات السباحة من الجيران الظاهري. يتم إسقاط هذه الصور حتى من تحت المتاهة لتقليد الصور الظلية من conspecifics السباحة تحت واحد أو أكثر من المواضيع. الخصائص البصرية لهذه الصور الظلية، مثل مورفولوجيا، والسرعة، والانسجام، والسلوك السباحة مصممة بسهولة لاختبار فرضيات بديلة7.
توضح هذه الورقة فائدة هذا النهج من خلال عزل كيف يستجيب أفراد من أنواع الأسماك الاجتماعية النموذجية، اللمعان الذهبي(Notemigonus crysoleucas)،للسرعة النسبية للجيران الافتراضيين. يركز البروتوكول، هنا، على ما إذا كان التأثير الاتجاهي للجيران الظاهريين يتغير مع سرعتهم، وإذا كان الأمر كذلك، تحديد شكل العلاقة الملاحظة. وعلى وجه الخصوص، يتم إنشاء الإشارة الاتجاهية من خلال وجود نسبة ثابتة من الصور الظلية بمثابة قادة والتحرك بالبالستية نحو ذراع واحدة أو أخرى. تعمل الصور الظلية المتبقية كجهات توزيع من خلال التحرك بشكل عشوائي لتوفير الضوضاء الخلفية التي يمكن ضبطها عن طريق ضبط نسبة القائد/التشتت. نسبة القادة إلى التوزيع يلتقط الانسجام من العظة الاتجاه ويمكن تعديلها وفقا لذلك. لا تزال الصور الظلية المشتتة محصورة في منطقة القرار (“DA”، الشكل 1A)من خلال وجود الصور الظلية تعكس الخروج من الحدود. ومع ذلك، يُسمح للخيالات القيادية بمغادرة منطقة DA والدخول إلى ذراعها المعينة قبل أن تتلاشى ببطء بمجرد أن تعبر الصور الظلية طول الذراع. ومع مغادرة القادة لـ DA، تأخذ الصور الظلية للقادة الجدد مكانهم وتتبع مسارهم الدقيق لضمان أن تبقى نسبة القائد/المشتت ثابتة في DA طوال التجربة.
يسمح استخدام الأسماك الافتراضية بالتحكم في المعلومات الحسية البصرية، مع مراقبة الاستجابة الاتجاهية للموضوع، والتي قد تكشف عن سمات جديدة للملاحة الاجتماعية، والحركة، أو صنع القرار في مجموعات. يمكن تطبيق النهج المستخدم هنا على مجموعة واسعة من الأسئلة، مثل آثار الإجهاد دون المميت أو التبذير على التفاعلات الاجتماعية، من خلال التلاعب بالرسوم المتحركة للكمبيوتر لإنتاج أنماط سلوكية متفاوتة التعقيد.
Protocol
Representative Results
Discussion
ومن المعروف أن الإشارات البصرية تؤدي إلى استجابة البصريات في الأسماك المعرضة لالمشابك الأسود والأبيض13 وهناك أدلة نظرية وتجريبية متزايدة على أن سرعة الجار يلعب دورا مؤثرا في حكم التفاعلات الديناميكية لوحظ فيمدارس الأسماك 7،14،1…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر (بريتون هيكسون) على المساعدة في الإعداد وقد تم دعم هذا البرنامج من قبل برنامج البحوث الأساسية، ونوعية البيئة والمنشآت (EQI; الدكتورة إليزابيث فيرغسون، المديرة الفنية، مركز أبحاث وتطوير مهندس الجيش الأمريكي.
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).
