Usando o conjunto de ferramentas de animação de FishSim para investigar o comportamento dos peixes: um estudo de caso na escolha do companheiro copiando em Mollies Sailfin

Recentemente, utilizar técnicas modernas para a criação de estímulos artificiais, tais como realidade virtual e animações de computador garnered popularidade em pesquisa¹. Esses métodos fornecem várias vantagens em comparação com abordagens experimentais clássicas com estímulo ao vivo animais^1,2. Animação por computador permite que a manipulação não-invasiva da aparência (tamanho, cor) e o comportamento de animais de estímulo virtual utilizados em experiências. Por exemplo, a remoção cirúrgica da espada no masculinas verdes espadas (Xiphophorus helleri) para testar as preferências do companheiro em fêmeas³ foi processada desnecessária usando animação por computador em um estudo posterior sobre esta espécie⁴. Além disso, animações de computador podem criar fenótipos são raramente encontrados na natureza⁵. Características morfológicas de animais virtuais podem ser alteradas mesmo além do alcance natural de que espécie de⁴. Particularmente, a possível manipulação sistemática do comportamento é uma das principais vantagens de animação por computador, já que é quase impossível com animais vivos^6,7.

Várias técnicas existem para a data para a criação de animações de computador. Simples animações de bidimensional (2D) geralmente derivam de uma foto de um estímulo, movendo-se em apenas duas dimensões e podem ser criadas com software comum como MS PowerPoint⁸ ou o Adobe After Effects⁹. Animações tridimensionais (3D) que exigem gráficos 3D mais sofisticados software de modelagem, habilitar o estímulo ser movido em três dimensões, aumentando as possibilidades de movimentos físicos realistas e complexo^{6,7 , 10 , 11 , 12}. até mesmo a realidade virtual projetos que simula um ambiente 3D onde navegar animais vivos foram utilizados^13,14. Em uma recente revisão Chouinard-Thuly et al ² discutir estas técnicas um por um e destacar as vantagens e desvantagens em sua aplicação na investigação, que notavelmente depende do escopo do estudo e as capacidades visuais do animal test (ver “Discussão”). Além disso, Powell e Rosenthal¹⁵ dar conselhos sobre design experimental apropriado e que perguntas podem ser endereçados empregando estímulos artificiais na investigação do comportamento animal.

Desde a criação de animação por computador pode ser difícil e demorado, surgiu a necessidade de programas para facilitar e padronizar o processo de design de animação. Neste estudo, apresentamos o livre e open-source FishSim animação Toolchain¹⁶ (curto: FishSim; https://bitbucket.org/EZLS/fish_animation_toolchain/), uma abordagem multidisciplinar que combina biologia e ciência da computação para resolver essas necessidades. Semelhante a anteriormente publicados ferramenta anyFish^17,18, seguido do desenvolvimento do toolchain o objetivo de proporcionar a investigadores com um método fácil de usar para a implementação de estímulos 3D animados em experimentos com peixes. Nosso software é composto por um conjunto de ferramentas que pode ser usado para: (1) criar peixes virtuais 3D (FishCreator), (2) animar os caminhos de natação dos peixes virtuais com um controlador de vídeo game (FishSteering) e (3) organizam e apresentam pré-gravado animações em monitores para viver peixes focais (FishPlayer). Nosso conjunto de ferramentas fornece vários recursos que são especialmente úteis para testes em uma situação de escolha binária, mas também aplicável a outros projetos experimentais. Além disso, a animação possível de dois ou mais peixe virtual permite a simulação de empolamento ou namoro. Animações não são vinculadas a um estímulo específico, mas podem ser repetidas com outros estímulos, tornando possível alterar a aparência de um estímulo, mas mantendo seu comportamento constante. A natureza aberto o toolchain, bem como o fato de que é baseado no sistema de operação de robô ROS (www.ros.org), fornecem alta modularidade do sistema e oferecer possibilidades quase infinitas para incluir dispositivos de realimentação externo (como o controlador ou um sistema de rastreamento) e adaptar o toolchain às próprias necessidades em pesquisa. Além do sailfin molly, quatro outras espécies estão atualmente utilizáveis: o Atlântico molly Poecilia mexicana, o guppy Poecilia reticulata, a esgana – Gasterosteus aculeatus e um ciclídeo Haplochromis spp. Novas espécies podem ser criados em uma gráfica 3D, modelagem de ferramenta (por exemplo, liquidificador, www.blender.org). Para exemplificar o fluxo de trabalho com FishSim e para fornecer um protocolo sobre como conduzir um experimento de copi-escolha do companheiro com animação de computador, realizamos um estudo de caso com sailfin mollies.

Escolha do companheiro é uma das decisões mais importantes que os animais fazem na sua história de vida. Os animais desenvolveram diferentes estratégias para encontrar os melhores parceiros de acasalamento. Eles podem depender de informações pessoais quando avaliação potencial parceiros de acasalamento independente, possivelmente de acordo com preferências genéticas predeterminadas para uma certa característica fenotípica de^19,20. No entanto, eles podem também observar a escolha do companheiro de coespecíficos e desse modo utilizar informação pública²¹. Se o observador, então, decide escolher o mesmo companheiro (ou o mesmo fenótipo) como o observado conspecific — o “modelo” — escolhido anteriormente, isto é chamado de companheiro-escolha copiar (doravante abreviado como MCC)^22,23. Companheiro-escolha copiar é uma forma de aprendizagem social e, portanto, uma estratégia de escolha do companheiro não-independente,²⁴, que tem sido observado em ambos os vertebrados^25,26,,^{27,28, 29} e invertebrados de^31,30,32. Até agora, MCC estudou-se predominantemente em peixe e é encontrado tanto em laboratório condições^{33,34,35,36,37,38} , como no selvagens^39,40,41,42. Companheiro-escolha copiar é especialmente valioso para um indivíduo se dois ou mais potenciais parceiros de acasalamento são aparentemente similares em qualidade e uma escolha de companheiro “bom” — em termos de maximizar a adequação — é difícil fazer⁴³. A qualidade de um modelo feminino se pode afetar se fêmeas focais copiar sua escolha ou não^44,,^45,46,47. Respectivamente, modelo “boa” ou “má” qualidade feminina tem sido atribuída a dela ser mais ou menos experientes na escolha do companheiro, por exemplo no que diz respeito a tamanho e idade^44,,^45,46, ou por ela ser um conspecific ou um heterospecific⁴⁷. Em mollies sailfin que copiar a escolha do companheiro de coespecíficos^39,,^48,,^49,50,51, verificou-se que as fêmeas focais mesmo copiar a rejeição de um macho⁵² . Desde que a MCC é considerado para desempenhar um papel importante na evolução de características fenotípicas, bem como a especiação e hibridização^21,23,53,54, as consequências de copiar um ” escolha falsa”pode ser tremenda em reduzir a aptidão do copiadora⁵⁵. Se um indivíduo decide copiar a escolha de um outro indivíduo, é importante avaliar se o modelo observado é uma fonte confiável de informação, ou seja, que o modelo em si está fazendo uma “boa” escolha devido a ele ou ela ser bem experiente em companheiro escolha. Aqui surge a pergunta: que recursos visuais podem caracterizar um modelo fiável a copiem em fêmeas de sailfin molly?

Uma característica visual distinta no feminino sailfin mollies e outras Poecilia é o local gravid (também conhecido como ‘anal spot’, ‘ninhada patch’ ou ‘ponto de gravidez’). Esta área Escuramente pigmentada na sua região anal deriva de melanização do tecido que reveste o ovário sac⁵⁶. O tamanho e a presença da mancha gravid são variáveis em fêmeas coespecíficas e individualmente mais podem mudar durante a progressão de ciclos ovarianos^56,57. Gravid manchas podem servir para atrair machos e facilitar a orientação de gonopodial para inseminação interno⁵⁸ ou como um meio de publicidade fertilidade^59,60. Considerando a ligação entre o local de gravid e status reprodutivo de uma fêmea, previmos que gravid local serve como um sinal de qualidade feminino modelo, fornecendo informações sobre seu estado atual de reprodução para observar as fêmeas focais. Nós investigamos duas hipóteses alternativas. Primeiro, se o local gravid é um sinal geral de maturidade, como previsto por Farr e Travis⁵⁹, denota um modelo presumivelmente confiável e experiente em comparação com um modelo imaturo (sem o ponto). Aqui, as fêmeas focais são mais propensos a copiar a escolha de um modelo com uma mancha, mas não a de um modelo sem uma mancha. Segundo, se o local gravid marca não-receptividade devido já a desenvolver ninhadas, conforme predito por Sumner et al ⁶⁰, o modelo é presumivelmente menos confiável, desde que as fêmeas não-receptivo seria consideradas menos exigentes. Neste caso, as fêmeas focais não copiará sua escolha senão a de modelos sem mancha. Até agora, o papel do gravid spot para MCC em fêmeas de sailfin molly tem nunca foi testado, nem manipulado experimentalmente.

Usamos o FishSim para executar um experimento MCC, apresentando estímulo virtual machos e fêmeas de modelo virtual em monitores de computador em vez de usar o estímulo ao vivo e modelo peixe como usado no procedimento experimental clássico^{49,50 ,},^51,61. A usabilidade geral do nosso software anteriormente foi validada para testar hipóteses sobre a escolha do companheiro em sailfin mollies¹². Aqui, nós testamos se a ausência ou a presença de uma mancha gravid em fêmeas de modelo virtual afeta a escolha do companheiro de observar as fêmeas focais ao vivo. Primeiro deixamos focais fêmeas se aclimatar ao tanque de teste (Figura 1.1) e deixe-os escolher entre dois machos diferentes estímulo virtual em um teste de escolha de imediato (Figura 1.2). Depois, durante o período de observação, o macho virtual prévio não-preferenciais foi apresentado junto com uma fêmea de modelo virtual (Figura 1.3). Em um teste de escolha de companheiro segundo subsequente, fêmeas focais escolheu novamente entre os machos mesmos (Figura 1.4). Analisamos se fêmeas focais tinham copiado a escolha do companheiro da fêmea modelo observado, comparando sua decisão de escolha do companheiro no primeiro e segundo teste escolha do companheiro. Realizamos dois diferentes tratamentos experimentais, no qual estamos manipulados visualmente a qualidade do sexo feminino modelo virtual. Durante o período de observação, também apresentamos o prévio não-preferenciais virtual macho (1) juntamente com uma fêmea de modelo virtual com uma mancha gravid (tratamento do “ponto”); ou (2) junto com uma fêmea de modelo virtual, sem uma mancha gravid (tratamento de “nenhum ponto”). Além disso, em um controle sem qualquer fêmea modelo, nós testamos se fêmeas focais escolheu consistentemente quando não públicas foram fornecidas informações.

Figura 1. Visão geral das etapas experimentais mais importantes para uma experiência MCC com estímulos de peixes virtuais. (1) período de aclimatação. (2) teste de imediato-escolha: ao vivo focal fêmea escolhe entre machos estímulo virtual. Período de observação (3) : fêmea focal observa o macho não-preferenciais prévio junto com uma fêmea de modelo virtual com mancha gravid. (4) escolha do companheiro-segunda teste: a fêmea focal novamente escolhe entre machos estímulo virtual. Neste exemplo, ela copia a escolha do modelo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.