Integrazione di analisi psicofisiche visive all'interno di un Y-Maze per isolare il ruolo che le funzionalità visive svolgono nelle decisioni di navigazione
Summary
Qui, presentiamo un protocollo per dimostrare un saggio comportamentale che quantifica come le caratteristiche visive alternative, come i segnali di movimento, influenzano le decisioni direzionali nei pesci. I dati rappresentativi sono presentati sulla velocità e la precisione in cui Golden Shiner (Notemigonus crysoleucas) seguono i movimenti dei pesci virtuali.
Abstract
Il comportamento collettivo degli animali deriva da motivazioni individuali e interazioni sociali che sono fondamentali per la forma fisica individuale. I pesci hanno a lungo ispirato le indagini sul movimento collettivo, in particolare la loro capacità di integrare le informazioni ambientali e sociali in contesti ecologici. In questa dimostrazione vengono illustrate le tecniche utilizzate per quantificare le risposte comportamentali dei pesci, in questo caso Golden Shiner (Notemigonus crysoleucas), agli stimoli visivi utilizzando la visualizzazione del computer e l’analisi delle immagini digitali. I recenti progressi nella visualizzazione dei computer consentono test empirici in laboratorio, in cui le funzionalità visive possono essere controllate e manipolate finemente per isolare i meccanismi delle interazioni sociali. Lo scopo di questo metodo è quello di isolare le caratteristiche visive che possono influenzare le decisioni direzionali dell’individuo, sia solitario che con gruppi. Questo protocollo fornisce specifiche sul dominio fisico del labirinto Y, sulle apparecchiature di registrazione, sulle impostazioni e sulle calibrazioni del proiettore e dell’animazione, sui passi sperimentali e sull’analisi dei dati. Queste tecniche dimostrano che l’animazione al computer può suscitare risposte biologicamente significative. Inoltre, le tecniche sono facilmente adattabili per testare ipotesi alternative, domini e specie per un’ampia gamma di applicazioni sperimentali. L’uso di stimoli virtuali consente la riduzione e la sostituzione del numero di animali vivi necessari, riducendo di conseguenza l’overhead di laboratorio.
Questa dimostrazione mette alla prova l’ipotesi che piccole differenze relative nelle velocità di movimento (2 lunghezze del corpo al secondo) dei conspecifici virtuali miglioreranno la velocità e la precisione con cui gli occhiaie seguono i segnali direzionali forniti dal Siluette. I risultati mostrano che le decisioni direzionali dello shiners sono influenzate in modo significativo dall’aumento della velocità dei segnali visivi, anche in presenza di rumore di fondo (67% coerenza dell’immagine). In assenza di segnali di movimento, i soggetti hanno scelto le loro direzioni a caso. Il rapporto tra velocità decisionale e velocità del segnale era variabile e l’aumento della velocità del cue aveva un’influenza modestamente sproporzionata sulla precisione direzionale.
Introduction
Gli animali percepiscono e interpretano continuamente il loro habitat per prendere decisioni informate quando interagiscono con gli altri e navigano in un ambiente rumoroso. Gli individui possono migliorare la loro consapevolezza situazionale e il processo decisionale integrando le informazioni sociali nelle loro azioni. L’informazione sociale, tuttavia, deriva in gran parte dall’inferenza attraverso segnali involontari (cioè improvvise manovre per evitare un predatore), che possono essere inaffidabili, piuttosto che attraverso segnali diretti che si sono evoluti per comunicare messaggi specifici (ad esempio, il waggle danza nelle api melande)1. Identificare il modo in cui gli individui valutano rapidamente il valore dei segnali sociali, o qualsiasi informazione sensoriale, può essere un compito impegnativo per gli investigatori, in particolare quando gli individui viaggiano in gruppi. La visione svolge un ruoloimportante nel governare le interazioni sociali 2,3,4 e gli studi hanno dedotto le reti di interazione che possono sorgere nelle scuole ittiche in base al campo visivo di ogni individuo5, 6. Le scuole di pesce sono sistemi dinamici, tuttavia, rendendo difficile isolare le risposte individuali a particolari caratteristiche, o comportamenti vicini, a causa delle collineanze intrinseche e dei fattori di confusione che derivano dalle interazioni tra i membri del gruppo. Lo scopo di questo protocollo è quello di integrare il lavoro corrente isolando come caratteristiche visive alternative possono influenzare le decisioni direzionali degli individui che viaggiano da soli o all’interno di gruppi.
Il vantaggio dell’attuale protocollo è quello di combinare un esperimento manipolativo con tecniche di visualizzazione del computer per isolare le caratteristiche visive elementari che un individuo può sperimentare in natura. In particolare, il labirinto Y (Figura 1) viene utilizzato per comprimere la scelta direzionale a una risposta binaria e introdurre immagini animate al computer progettate per imitare i comportamenti di nuoto dei vicini virtuali. Queste immagini sono proiettate da sotto il labirinto per imitare le sagome dei cospecifici che nuotano sotto uno o più soggetti. Le caratteristiche visive di queste sagome, come la loro morfologia, velocità, coerenza e comportamento di nuoto sono facilmente su misura per testare ipotesi alternative7.
Questo documento dimostra l’utilità di questo approccio isolando il modo in cui gli individui di una specie di pesci sociali modello, il Golden Shiner (Notemigonus crysoleucas), rispondono alla velocità relativa dei vicini virtuali. L’obiettivo del protocollo, qui, è se l’influenza direzionale dei vicini virtuali cambi con la loro velocità e, in caso affermativo, quantificare la forma della relazione osservata. In particolare, lo spunto direzionale è generato avendo una proporzione fissa delle sagome agiscono come leader e si muovono balistically verso un braccio o un altro. Le sagome rimanenti agiscono come distrattori muovendosi a caso per fornire un rumore di fondo che può essere regolato regolando il rapporto leader/distrattore. Il rapporto tra capi e distrattori cattura la coerenza dei segnali direzionali e può essere regolato di conseguenza. Le sagome di distrattore rimangono confinate nell’area decisionale (“DA”, Figura 1A) facendo in modo che le sagome si riflettano fuori dal contorno. Le sagome leader, tuttavia, sono autorizzate a lasciare la regione DA ed entrare nel braccio designato prima di svanire lentamente una volta che le sagome hanno attraversato 1/3 della lunghezza del braccio. Mentre i leader lasciano il DA, le nuove sagome leader prendono il loro posto e ripercorrono il loro percorso esatto per garantire che il rapporto leader/distrattore rimanga costante nel DA durante l’esperimento.
L’uso del pesce virtuale consente il controllo delle informazioni sensoriali visive, monitorando la risposta direzionale del soggetto, che può rivelare nuove caratteristiche della navigazione sociale, del movimento o del processo decisionale in gruppi. L’approccio qui usato può essere applicato a un’ampia gamma di domande, come gli effetti dello stress subletale o della predazione sulle interazioni sociali, manipolando l’animazione al computer per produrre modelli comportamentali di varia complessità.
Protocol
Representative Results
Discussion
È noto che i segnali visivi attivano una risposta optomotoria nei pesci esposti a grate in bianco e nero13 e vi sono sempre più prove teoriche ed empiriche che la velocità del vicino svolge un ruolo influente nel governare le interazioni dinamiche osservati nelle scuole ittiche7,14,15,16,17. Esistono ipotesi contrastanti per spiegare…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo Bryton Hixson per l’assistenza all’installazione. Questo programma è stato sostenuto dal Basic Research Program, Environmental Quality and Installations (EQI; Dr. Elizabeth Ferguson, Direttore Tecnico), US Army Engineer Research and Development Center.
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. |
Riferimenti
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