Utilizzando la Toolchain di animazione FishSim per indagare il comportamento dei pesci: un caso di studio su Mate-scelta copia In Mollies Sailfin

Recentemente, utilizzando le moderne tecniche per la creazione di stimoli artificiali, quali animazioni al computer e realtà virtuale, ha raccolto il gradimento in ricerca¹. Questi metodi offrono numerosi vantaggi rispetto ai classici approcci sperimentali con stimolo dal vivo animali^1,2. Animazione al computer consente la manipolazione non invasiva dell’apparenza (dimensione, colore) e il comportamento degli animali virtuali stimolo utilizzati negli esperimenti. Ad esempio, la rimozione chirurgica della spada nel maschio verde Portaspada (Xiphophorus helleri) per testare le preferenze compagno in femmine³ è stato reso inutile utilizzando animazione al computer in uno studio successivo su questa specie⁴. Inoltre, animazioni al computer possono creare fenotipi che solo raramente si incontrano in natura⁵. Le caratteristiche morfologiche di animali virtuali possono persino essere alterate nell’intervallo naturale di tale specie⁴. In particolare, la possibile manipolazione sistematica di comportamento è uno dei principali vantaggi dell’animazione al computer, dato che è quasi impossibile con animali vivi^6,7.

Esistono varie tecniche fino ad oggi per la creazione di animazioni al computer. Semplice bidimensionale (2D) animazioni in genere derivano da una foto di uno stimolo in movimento in due sole dimensioni e possono essere create con software comuni come MS PowerPoint⁸ o⁹di Adobe After Effects. Animazioni del tridimensionale (3D), che richiedono grafica 3D più sofisticata software di modellazione, abilitare lo stimolo di essere spostati in tre dimensioni, aumentando le possibilità di movimento fisico realistico e complesso^{6,7 , 10 , 11 , 12}. anche realtà virtuale disegni che simulano un ambiente 3D in cui navigare animali vivi sono stati usati^13,14. In una recente revisione Chouinard-Thuly et al. ² discutere queste tecniche uno ed evidenziare i vantaggi e gli svantaggi sulla loro attuazione nella ricerca, che dipende in particolare l’ambito dello studio e la capacità visiva dell’animale sperimentale (Vedi “Discussione”). Inoltre, Powell e Rosenthal¹⁵ dare consigli sul design sperimentale appropriato e quali domande potrebbe essere trattate impiegando stimoli artificiali nella ricerca di comportamento animale.

Dal momento che creazione di animazione al computer può essere difficile e richiede tempo, sorse la necessità di software facilitare e standardizzare il processo di progettazione di animazione. In questo studio, presentiamo il gratuito e open-source FishSim animazione Toolchain¹⁶ (breve: FishSim; https://bitbucket.org/EZLS/fish_animation_toolchain/), un approccio multidisciplinare che unisce biologia e informatica per risolvere queste necessità. Simile al più presto pubblicati strumento anyFish^17,18, lo sviluppo della toolchain seguito l’obiettivo di fornire ai ricercatori con un metodo facile da usare per l’implementazione di stimoli 3D animati negli esperimenti con i pesci. Il nostro software è costituito da un insieme di strumenti che possono essere utilizzati per: (1) creare pesce virtuale 3D (FishCreator), (2) animare i percorsi di nuoto del pesce virtuale con un video game controller (FishSteering) e (3) organizzano e presentano preregistrati animazioni su monitor a vivere pesci focale (FishPlayer). La nostra toolchain fornisce varie caratteristiche che sono particolarmente utili per il test in una situazione di scelta binaria, ma applicabile anche ad altri disegni sperimentali. Inoltre, l’animazione possibile di due o più pesci virtuali permette la simulazione di shoaling o corteggiamento. Le animazioni non sono vincolate ad uno stimolo specifico ma possono essere riprodotti con altri stimoli che permette di modificare l’aspetto di uno stimolo, ma mantenere costante il suo comportamento. La natura open source della toolchain, come pure il fatto che si basa sul sistema di funzionamento del robot ROS (www.ros.org), fornire elevata modularità del sistema e offrono possibilità quasi infinite per includere dispositivi di feedback esterno (come il controller o un sistema di tracciamento) e di adattare la toolchain alle proprie esigenze nella ricerca. Oltre a Poecilia latipinna, altre quattro specie sono attualmente utilizzabili: la Atlantic molly Poecilia mexicana, il guppy Poecilia reticulata, lo spinarello Gasterosteus aculeatus e un ciclide Haplochromis spp. Nuove specie possono essere creati in una grafica 3D modellazione strumento (ad es., frullatore, www.blender.org). Per esemplificare il flusso di lavoro con FishSim e fornire un protocollo su come condurre un esperimento di copiatura mate-scelta con la computer animation, abbiamo svolto uno studio di caso con sailfin mollies.

Scelta di Mate è una delle più importanti decisioni gli animali nella loro storia di vita. Gli animali hanno evoluto strategie differenti per trovare il miglior partner di accoppiamento. Essi può basarsi sulle informazioni personali quando valutare il potenziale accoppiamento partner in modo indipendente, possibilmente in base alle preferenze genetiche predeterminate per un certo tratto fenotipico^19,20. Tuttavia, possono anche osservare la scelta del compagno di conspecifici e quindi utilizzare informazioni pubbliche²¹. Se l’osservatore decide allora di scegliere il compagno stessa (o lo stesso fenotipo) come i conspecifici osservato — il «modello» — scelto in precedenza, questo è definito mate-scelta copia (in seguito abbreviato come MCC)^22,23. Mate-scelta copia è una forma di apprendimento sociale e, quindi, una strategia di mate-scelta non indipendente²⁴, che è stato osservato in entrambi vertebrati^{25,26,27,28, 29} e invertebrati^30,31,32. Finora, MCC è stato studiato principalmente in pesce e si trova sotto laboratorio condizioni^{33,34,35,36,37,38} e nella selvaggio^39,40,41,42. Copia di Mate-scelta è particolarmente importante per un individuo se due o più potenziali partner di accoppiamento sono apparentemente simili in qualità e una scelta di “buon” compagno — in termini di massimizzazione fitness — è difficile fare⁴³. La qualità di un modello femmina se stessa può influenzare il fatto focale femmine copia di sua scelta o non^44,45,46,47. Rispettivamente, qualità femminile modello “buono” o “cattivo” è stato attribuito alla sua più o meno sta vivendo a scelta, ad esempio per quanto riguarda le dimensioni e l’età^44,45,46, o dal suo essere un conspecifico o un heterospecific⁴⁷. In mollies sailfin che copiano la scelta del compagno di conspecifici^{39,48,49,50,51}, è stato trovato che le femmine focale copiare anche il rifiuto di un maschio⁵² . Poiché MCC è considerata un ruolo importante nell’evoluzione dei tratti fenotipici, come pure la speciazione e ibridazione^21,23,53,54, le conseguenze di copiare un ” scelta falsa”può essere tremendo nel ridurre l’idoneità della copiatrice⁵⁵. Se un individuo decide di copiare la scelta di un altro individuo, che è importante valutare se il modello osservato è una fonte affidabile di informazioni, cioè, che il modello stesso è fare una scelta “buona” a causa di lui o il suo essere ben sperimentato in mate scelta. Qui si pone la questione: quali funzionalità visual può caratterizzare un modello affidabile per copiare da nelle femmine di sailfin molly?

Una caratteristica visiva distinta in mollies sailfin femminile e altri Pecilidi è il luogo gravido (noto anche come ‘spot anale’, ‘covata patch’ o ‘gravidanza spot’). Questa zona scuro pigmentata nella loro regione anale deriva da melanizzazione del tessuto fodera la sacca ovarica⁵⁶. Le dimensioni e la presenza dello spot gravid sono variabili attraverso le femmine conspecifici e può ulteriormente modificare singolarmente durante la progressione di cicli ovarici^56,57. Gravid macchie possono servire per attirare i maschi e facilitare l’orientamento gonopodial per inseminazione interna⁵⁸ o come mezzo di pubblicità fertilità^59,60. Considerando il legame tra lo spot gravid e lo stato riproduttivo di una femmina, avevamo previsto che lo spot gravid serve come un segno di qualità femminile modello fornendo informazioni sul suo stato attuale riproduttiva a osservare femmine focale. Abbiamo studiato due ipotesi alternative. In primo luogo, se lo spot gravid è un segno generale per la maturità, come predetto da Farr e Travis⁵⁹, si denota un modello presumibilmente affidabile ed esperto, rispetto a un modello di immaturo (senza il punto). Qui, le femmine focale sono più probabili di copiare la scelta di un modello con una macchia, ma non quello di un modello senza macchia. In secondo luogo, se lo spot gravid segna non ricettività dovuto già sviluppando nidiate, come predetto da Sumner et al. ⁶⁰, il modello è presumibilmente meno affidabile poiché non ricettivo femmine sarebbero considerate meno esigente. In questo caso, le femmine focale non copierà loro scelta se non quella di modelli senza macchia. Finora, il ruolo dello spot gravid per MCC nelle femmine di molly Poecilia è mai stato testato, né manipolato sperimentalmente.

Abbiamo usato FishSim per eseguire un esperimento MCC presentando virtuale stimolo maschi e femmine di modello virtuale sul monitor del computer anziché dal vivo stimolo e modello pesce come usato nel procedimento sperimentale classico^{49,50 ,51,61}. L’usabilità generale del nostro software è stato convalidato in precedenza per il test di ipotesi circa la scelta del compagno in sailfin mollies¹². Qui, abbiamo provato se l’assenza o la presenza di una macchia gravid nelle femmine di modello virtuale influisce sulla scelta dell’accoppiamento di osservare dal vivo femmine focale. Lasciamo in primo luogo focale femmine acclimatare al serbatoio di prova (Figura 1.1) e far loro scegliere tra due maschi di stimoli diversi virtuale in un test di primo mate-scelta (Figura 1.2). In seguito, durante il periodo di osservazione, il precedente uomo virtuale non preferite è stato presentato insieme ad una donna di modello virtuale (Figura 1.3). In una successiva seconda prova di mate-scelta, femmine focale ha scelto ancora una volta tra i maschi stessi (Figura 1.4). Abbiamo analizzato se focale femmine avevano copiato la scelta del compagno della femmina modello osservati confrontando la sua decisione di mate-scelta nella prima e seconda prova mate-scelta. Abbiamo effettuato due diversi trattamenti sperimentali in cui abbiamo manipolato visivamente la qualità della femmina modello virtuale. Durante il periodo di osservazione, abbiamo presentato sia preventivo non preferite virtuale uomo (1) insieme a una donna di modello virtuale con una macchia gravid (trattamento “spot”); o (2) insieme a una donna di modello virtuale senza macchia gravid (trattamento “nessun punto”). Inoltre, in un controllo senza qualsiasi donna modello, abbiamo provato se femmine focale ha scelto costantemente quando è stata fornita alcuna informazione pubblica.

Figura 1. Panoramica generale delle operazioni sperimentali più importanti per un esperimento MCC con stimoli di pesce virtuale. (1) periodo di acclimatazione. Test (2) primo mate-scelta: live focale donna sceglie tra i maschi stimolo virtuale. Periodo di osservazione (3) : focale donna orologi il maschio non preferite prima insieme a una donna di modello virtuale con spot gravid. (4) mate-scelta seconda prova: la femmina focale ancora sceglie tra i maschi stimolo virtuale. In questo esempio, si copia la scelta del modello. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.