Serbestçe Yüzme Zayıf Elektrik Balık Uzun vadeli Davranış Takip

Arkaplan. Hayvan davranışları üzerine nicel deneyler (örneğin zorunlu tercih, şok kaçınma, T-labirent, vb.), Tipik olarak, duyusal-motor becerileri ile ilgili öğrenme ve bellek oluşumu spesifik hipotezleri araştırmak için kullanılmaktadır. Ancak, bu kısıtlayıcı deneyler doğal hayvan davranışlarının zenginliği çok özledim ve davranışın altında yatan nöral temeli basitleştirilmiş modelleri sonuçlanması muhtemeldir. Daha doğal koşullarda deneyler nedenle biz daha tam bir tür davranış repertuarı keşfetmek hangi önemli bir tamamlayıcıdır. Serbestçe hareket hayvanları ile ilgili deneyler, ancak bu tür hareketleri kaynaklı kayıt eserler gibi eşsiz teknik sorunları ele almalıdır. Uyarıyla tetiklenen tepkiler farklı olarak, kendiliğinden meydana gelen araştırıcı davranışı tahmin edilemez, bu nedenle deneysel konular sürekli olarak izlenir ve uzun bir süre boyunca izlenir gerekir. Özel araştırma soruları can en iyi özenle seçilmiş organizmalar ve mevcut teknik araçları tarafından ele. Örneğin, genetik olarak kodlanmış kalsiyum sensörleri ¹ ve optogenetik ² gibi optik kayıt ve stimülasyon teknikleri başarıyla serbestçe genetik model organizmalar ^3-5 hareketli tatbik edilmiştir. Alternatif olarak, minyatür sinir telemetri sistemleri kaydedebilir ve küçük hayvanlara ^6,7 hareket serbestçe uyarır.

Elektrikli balık. WEF türler onların yakın çevresini algılamak ya da daha büyük mesafeler üzerinden iletişim kurmasına izin elektrik organı deşarjları (EODs), üretir. EODs zamansal desenler tür öz-hareketler ^8,9, duyusal uyaranlar ^10,11 ve sosyal etkileşimlerinin ^12,13 gibi farklı koşullar altında değişir. Sürekli yarı sinüs dalga şekilleri oluşturmak için dalga-tipi türlerin aksine darbe tipi WEF türler, ayrık bakliyat bir tren üretmek. Genel olarak, darbe tipi türler sergi morE değişken EOD oranı dalga tipi türlere göre ve hayvanların EOD oyu yakından onların duyusal çevresi ^10,14 yenilik içeriğini yansıtmaktadır. Pulse-tipi türler hemen yeni bir duyusal tedirgemesi (yenilik yanıt ^10,11,14) için cevap veren bir tek darbe döngüsü içindeki arası nabız aralığı (IPI) kısaltabilir. Bu balıkların devam eden elektrik davranış dış kaynaklardan kontrolsüz duyusal uyaranlar tarafından tedirgin olabilir ve bu tür titreşim, ses, elektrik, ve ışık gibi uyarıcıların farklı tetik yenilik yanıtları bilinmektedir. Bu nedenle, özel önlemler serbest yüzme WEF uzun süreli gözlem sırasında dış duyusal uyaranlara engellemek ya da azaltmak için alınmalıdır. Bu şekilde, EOD hızı ve hareket yörüngelerine değişimler özel deneyi tarafından sunulan uyaranlara atfedilebilir.

Akvaryum tankı ve izolasyon odası. Dolayısıyla titreşim emici malzemelerin çoklu katmanlar yerleştirilir under büyük bir akvaryum tankı (2,1 mx 2,1 mx 0,3 m), ve ışık, elektriksel gürültü, ses ve ısı akışı dış kaynakları engellemek için yalıtılmış bir muhafaza ile tankı çevrili. EOD oranı, çevredeki sıcaklığa ^15,16 bağlıdır böylece su sıcaklığı sıkıca Güney Amerika WEF türler için tropikal bir aralık (25 ± 1 ° C) düzenlenmiştir. Biz esas olarak iki boyutlu (Şekil 1A) sınırlı DEF mekansal keşif davranışlarını gözlemlemek için geniş ve sığ (10 cm su derinliği) deposu inşa. Tank ayrı ayrı balık (Şekil 1B) evine merkezi mekansal davranışlarını gözlemlemek arena ve dört köşe bölmelere bölünmüştür. Her bölme bireyler arasındaki elektriksel iletişimi önlemek için su geçirmez inşa edilmiştir. Merkezi arenaya hayvanların erişim dört motorlu kapıları ile dışarıdan kontrol edildi. Kapıları bölmeler arasına yerleştirilmiş ve kilitli zaman su geçirmez oldularnaylon kanat tarafından fındık. WEF metallere karşı hassas tepki beri metalik parçalar sualtı kullanıldı.

EOD kaydı. EODs (Mormyridsleri içinde) tek aktivasyonu veya ^17,18 (Gymnotiforms olarak) birden fazla dağınık elektrik organları tarafından basmakalıp bir şekilde üretilmiştir. Medüller kalp pili gibi sırayla ön beyin ¹⁹ aksonal projeksiyonlar alır diensefalik prepacemaker nükleus gibi yüksek beyin bölgelerinden direkt nöral girdiler aldığı beri EOD oranının zamansal modülasyon, üst düzey nöral faaliyetlerini ortaya çıkarabilir. Ancak, EOD zamanlama dikkatli bir ham dalga kayıt çıkarılan ve hayvanın hareketi kaynaklı çarpıtmalar tarafından önyargılı olmamak gerekir. Bir WEF tarafından üretilen elektrik alanı dipol olarak yaklasık olabilir, bu nedenle kayıt elektrotlar PMİ darbe genlikleri hayvan ve elektrotlar ^8,20 arasındaki bağıl mesafeler ve yönelimleri bağlıdır. Hayvanın kendini movemEnt Bu şekilde, farklı hareketler elektrotlarda EOD genlikleri (Haziran et al. ⁸ Şekil 2B, bakınız) uçucu bir şekilde, zaman içinde değişir neden, hayvan ve elektrotlar arasındaki nispi geometri değiştirin. Elektrikli organların farklı bir dizi göreli katkıları kuyruk bükme tarafından tanıtıldı vücut uzunluğu ve yerel eğriliklerin boyunca konumlarını bağlıdır çünkü Ayrıca, kendi kendine hareketler de, kaydedilen PMİ dalga şeklini değiştirmek. EOD genlik ve şekil hareketi kaynaklı çarpıtmalar yanlış ve güvenilmez EOD zamanlama ölçümleri yol açabilir. Biz mekansal farklı yerlerde kaydedilen birden fazla PMİ dalga formları ortalamasını alarak bu sorunları üstesinden, ve tam bir serbest yüzme WEF gelen EOD zamanlamasını belirlemek için bir zarf çıkarma filtre ekleyerek. Ayrıca, tekniği de bir hayvan EOD değişikliği dayalı istirahat veya aktif hareket olmadığını göstermek EOD genliklerde ölçerzamanla genlikleri (Şekil 2E ve 2F bakınız). Biz ortak mod gürültüsünü azaltmak için kayıt elektrot çiftlerinden farklılaşarak güçlendirilmiş sinyalleri kaydedildi. EOD bakliyat düzensiz zaman aralıklarında üretilen bu yana, EOD olay zaman serisi değişken örnekleme oranı var. Tercih edilen bir analitik araç tarafından gerekirse EOD zaman serisi enterpolasyon ile sabit bir örnekleme oranına dönüştürülebilir.

Video kaydı. EOD kayıt bir hayvan brüt hareket aktivitesini izleyebilir karşın, video kaydı, bir hayvanın vücut pozisyonu ve duruş doğrudan ölçülmesini sağlar. Yakın kızılötesi (NIR) aydınlatma (λ = 800 ~ 900 nm) WEF karanlıkta en aktif ve gözleri NUR spektrum ^23,24 duyarlı olmadığından serbestçe, balık ^21,22 yüzme soğukkanlı görsel gözlem izin verir. Çoğu dijital görüntüleme sensörleri (örn. CMOS veya CCD) wavelengt NIR spektrum yakalayabilirfiltreyi ²⁵ tıkayan bir kızılötesi (IR) çıkardıktan sonra 800-900 nm arasında saat aralığı. Bazı high-end tüketici sınıf kamerası mevcut profesyonel kalitede IR kameralar çok daha büyük maliyetleri bir görüntü kalitesi karşılaştırılabilir, ya da üstün üretebilir yüksek çözünürlüklü, geniş görüş açısı ve iyi düşük ışık hassasiyeti, sunuyoruz. Buna ek olarak, bazı tüketici sınıf kamerası hiçbir kalite kaybı ile video sıkıştırma tarafından genişletilmiş bir kayıt süresini izin kayıt yazılımı ile birlikte verilir. Çoğu profesyonel kalitede fotoğraf makineleri dijital sinyalleri ile video arasındaki zamanlamayı hizalanması için ²⁶ saat senkronizasyonu TTL darbe çıkışları ya da tetik TTL darbe girişlerini sunuyoruz, ancak bu özellik tüketici sınıf kamerası genellikle yoktur. Ancak, video kayıt ve bir sinyal sayısallaştırıcınız arasındaki zamanlama doğru aynı anda kamera ve sinyal sayisallastirici LED periyodik olarak yanıp sönen IR çekimi ile uyumlu olabilir. Başlangıçtaki ve son IR darbe zamanlama kullanılabilecek birtersi sinyal dijitalleştirici zaman birimi için video kare numaraları dönüştürmek ve s iki kez Kalibrasyon işaretleri.

Aydınlatma ve arka plan. Su ile yakalama görüntü nedeniyle su yüzeyinde ışık yansımaları teknik açıdan zorlayıcı olabilir. Su yüzeyi sualtı bir su üstünde görsel bir sahne, ve karanlık görsel özelliklerini yansıtan bir ayna olarak hareket edebilir, bu nedenle su üstünde sahne görsel etkileşimi önlemek için özelliksiz hale getirilmelidir. Görüntü için tüm akvaryum içinde, bir kamera doğrudan su üstünde yerleştirilmesi gereken ve bu su yüzeyinde kendi yansımasını önlemek için küçük bir görüntüleme delik üzerine tavan arkasındaki gizli olmalıdır. Işık kaynakları yanlış tahmin edilmektedir Ayrıca, eğer su yüzeyi glares ve kuralsız aydınlatma üretebilir. Dolaylı aydınlatma, tavana doğru ışık kaynakları yönelterek tüm akvaryumun üzerinde düzgün bir parlaklık elde edebilirsiniz şekilde tavan ve çevredeki walls yansıtır ve su yüzeyine ulaşmadan önce ışınları yaygın olabilir. Kamera (örneğin 850 nm dalga boyu tepe) bir spektral tepki eşleşen bir IR aydınlatıcı seçin. Işık kaynaklarından elektrik gürültü LED ışıkları kullanarak ve Faraday kafesi dışında kendi DC güç kaynağı koyarak minimize edilebilir. Balık NIR dalga boylarında beyaz bir arka iyi tezat yana, tankın altında beyaz bir arka plan yerleştirin. Benzer şekilde, yalıtım bölmesinin iç yüzeyleri üzerinde mat beyaz renkli kullanımı düzgün ve parlak bir arka aydınlatma sağlar.

Video izleme. Bir video kaydettikten sonra, otomatik bir görüntü izleme algoritması zamanla hayvanın vücut pozisyonlarını ve duruşlar ölçebilirsiniz. Video izleme otomatik ya hazır kullanımlı yazılımı (Bakış açısı veya Ethovision), ya da kullanıcı-programlanabilir yazılım (OpenCV veya MATLAB görüntü işleme araç kutusu) tarafından yapılabilir. Görüntü izleme ilk adım olarak,Geçerli bir izleme alanı (maskeleme işlemi) dışındaki alanı hariç tutmak için bir geometrik şekil çizerek tanımlanmalıdır. Daha sonra, bir hayvanın resim hayvan içeren bir resimdeki bir arka plan görüntüsü çıkarılarak arka izole edilmesi gerekmektedir. Çıkarılmış görüntü sentroidinin ve yönlendirme eksen ikili morfolojik faaliyetlerinden hesaplanabilir şekilde bir yoğunluk eşik uygulayarak ikili bir biçimde dönüştürülür. Gymnotiforms ^27-29 ve ^30-32 Mormyridsleri olarak, electroreceptor yoğunluk kafa bölgesine yakın olarak yüksek olduğu, bu yüzden her an baş konumu, en yüksek duyusal keskinliği bir konumunu gösterir. Baş ve kuyruk yerleri otomatik görüntü döndürme ve sınırlayıcı kutu işlemleri uygulanarak tespit edilebilir. Baş ve kuyruk uçları elle ilk karede onları tanımlayan ve iki ardışık kareyi karşılaştırarak kendi yerleri takip ederek birbirinden ayırt edilebilir.