测试蜥蜴对运动速度和方向的视觉敏感性

摘要

利用操作性条件反射范式，通过播放随机点运动图和计算机生成的无脊椎动物视频来测试蜥蜴的视觉敏感性。

摘要

对任何物种进行视觉敏感性测试均可提供有关其行为、进化和生态的基本信息。然而，针对视觉系统特定特征的测试能为功能应用提供更有力的实证依据。对感觉系统的研究可揭示该物种的感觉能力、学习与记忆能力，并建立已知的基线行为，以便评估后续行为偏差（Burghardt, 1977）。然而，与哺乳动物或鸟类系统不同，在爬行动物中测试学习和记忆能力具有较大难度。此外，使用操作性范式作为感觉能力的心理物理学测量手段同样面临挑战。历史上，爬行动物在条件化实验中反应较差，原因涉及动机、生理、代谢以及基本生物学特性等方面的问题。本文中，我展示了一种应用于新型蜥蜴模型——杰克龙（Jacky dragon, Amphibolurus muricatus）的操作性范式，并描述了如何测试其对外界显著速度和运动特征的周边敏感性。该方法采用创新方式评估蜥蜴的学习能力和感觉能力。我使用随机点运动图（random-dot kinematograms, RDKs）来测量对速度的敏感性，并通过改变朝一致方向运动的点的比例来调节信号强度。RDKs 并不代表具有生物学意义的刺激，但能有效激活视觉系统，是用于测量人类及其他动物感觉敏感性的经典心理物理学工具。在此，通过三个视频回放系统向蜥蜴呈现 RDKs 刺激。蜥蜴需选择其感知到的点阵运动方向（左或右）。选择正确方向将获得具有生物学重要性的猎物刺激作为强化，该刺激由计算机动画模拟的无脊椎动物呈现。

方案

Jacky Dragons

杰克氏蜥蜴（A. muricatus）被饲养在温控的圈养设施中。

围栏由定制的玻璃饲养箱构成，尺寸为60 cm³。围栏内填充了悉尼沙质基质、本地植物以及天然木制栖木。围栏放置在可移动的推车上，以便将实验对象置于所有观察显示器的正中央。

在模拟夏季条件下，将蜥蜴置于14小时光照:10小时黑暗的光周期中，并在每日白天的前半小时内提供热源灯（125 W）和充足的紫外线（UV）照明（300 W）。蜥蜴可自由饮水，在非实验期间饲喂经维生素补充剂处理的蟋蟀（Achetus domesticus），并定期使用稀释剂量的伊维菌素驱除寄生虫。

用于回放的设备

使用三个视频播放设备进行刺激呈现（见图1）。中央设备包含一台iMac（Apple Computer Inc.），用于呈现点状刺激。另外两个设备各包含一台运行Final Cut Pro HD的iMac，用于呈现播放刺激（即无脊椎动物）。

数字信号被发送至高级数字视频转换器（Canopus©gt ADVC110，澳大利亚维多利亚州墨尔本）进行数模转换，以实现视频回放，并在索尼特丽珑（Sony Corporation，日本东京品川）显示器（型号：PVM-14M2A/PVM-14L2/PVM-14N5A）上显示。一台佳能（型号 MV650i）数码摄像机，配备22倍光学变焦镜头（佳能公司，日本），安装在测试区域正上方，直接将对刺激的反应记录到索尼（Sony Corporation，日本东京品川）录像机（序列号：SLV-EZ717AS）中。

记录的图像被传送至彩色取景器（NEC，序列号 1892，日本神奈川）。在点阵显示开始后 7.5 秒，一个电子生成的声音标记被发送至 Canopus® ADVC110 并记录到 VHS 上。视频播放按 PAL-DV 标准进行调整（5:1 压缩；水平分辨率 575 线；25 帧/秒）。

随机点运动图（RDKs）

可以使用 VPixx V1.79（VPixx V1.79，VPixx Technologies Inc. 2002）开发 RDK。

设计刺激图像，视场为30 × 20度，填充200个点，每个点大小为5 × 5像素。

构建包含八种速度变化、八种相干性水平和两个方向的点刺激，共生成128种不同的刺激。

速度参数以度每秒（°/s）设计。速度变化分别为 0.5、2.5、5、10、20、40、80 和 160°/s。相干性百分比为 0、2.5、5、10、20、40、80 和 100%，运动方向为向左或向右。

将每个序列导出为Motion JPEG-B文件。然而，您可以设计具有多种特征的RDKs。

每个序列总持续时间为15秒。序列开始时为2.5秒、0%相干度，并与试验中的速度变量相匹配，此阶段启动当前试验。随后是5秒的速度与相干度组合变化期。最后以7.5秒、100%相干度、朝适当方向运动结束该序列。

导入所有 Motion JPEG-B 序列，并在 Apple Final Cut Pro HD（Apple Computers Inc.）中进行编辑。在每个时间间隔处添加一个声音标记。该标记仅对 VHS 可听，用于在刺激呈现发生变化时作为行为评分的提示。将全部 128 个序列分别导出为 Final Cut Pro 电影文件。

初级强化物 - 面包虫

实验期间，将受试者置于随机强化程序中，每区组试验包含五次试验（共16次试验）。主要强化物为黄粉虫（Tenebrio molitor）。

次级强化物 — 动画无脊椎动物

次级强化物需与初级强化物配对使用。所创建的具有生物学意义的强化物包括三种计算机动画的无脊椎动物：1）蟋蟀，2）螨虫，3）蜘蛛。

使用 Lightwave v8.3（NewTek Inc.，美国德克萨斯州圣安东尼奥市）创建时长为 15 秒的动画，前 7.5 秒为静止背景，随后 7.5 秒为无脊椎动物出现在相应屏幕上。

拍摄自然植被背景照片，作为JPEG文件导入每个视频片段中。将每个序列导出为单独的JPEG图像序列（共375帧），并使用Final Cut Pro HD将其压缩为视频文件以供播放。设计50个不同的视频片段，以防止对条件化范式产生习惯化。

常规操作步骤

将受试者置于观察显示器之间。

为每位受试者随机呈现RDK刺激。

在八天内以每组16次试验的形式呈现刺激。每次试验持续15秒，试验间间隔为30-60秒。将每次试验的时间段分为2.5秒的0%相干性阶段，用于反映测试速度；随后5秒用于测试速度和相干性；最后7.5秒为100%相干性，方向与测试速度相匹配。

在此5秒的关键期内，受试者需要作出反应。记录因变量指标，包括朝向左侧或右侧显示器的注视方向以及反应潜伏期。

仅使用五次随机试验，并以初级强化物对每次试验进行强化，每次试验均用动画无脊椎动物进行强化。每个区组试验结束后，将受试者围栏从测试区域移除，并引入另一个围栏。

讨论

测试蜥蜴物种的感觉能力一直较为困难，且在很大程度上是一项繁琐而艰巨的工作。这些困难主要源于难以找到合适的强化物或建立有效的实验方案。本文中，我建立了一种成功测试蜥蜴运动感知能力的实验方案。该方法也可用于测试其他视觉特征以及其他感觉机制。此外，该方案可能适用于其他物种。本实验方案的价值不仅在于帮助我们理解自然行为，还可将蜥蜴行为作为其他科学研究的模型。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
iMac	计算机	Apple		三个系统
Canopus®	数字-模拟转换器	Canopus®	ADVC110
Sony Trintron	彩色取景器	Sony Corporation	PVM-14M2A, PVM-14L2, PVM-14N5A	三台显示器
Canon	数码摄像机	Canon, inc.	MV650i	记录行为
NEC	彩色取景器	NEC Corporation	1892	观察反应
Sony VCR	VHS录像机	Sony Corporation	SLV-EZ717AS	将行为记录到VHS磁带
VHS磁带			通用VHS	记录介质
VPixx	软件程序	VPixx Technologies, Inc.	v1.79	用于创建RDKs
Final Cut Pro	软件程序	Apple	HD	用于创建播放序列
Lightwave® 3D	软件程序	NewTek Inc.	v8.3	用于创建次级强化物
黄粉虫	Tenebrio molitor	Pisces Enterprises LTD		初级强化物
蟋蟀	Achetus domesticus	Pisces Enterprises LTD		饲养用食物
爬虫饲养箱	玻璃	Crystal Palace Aquariums		蜥蜴饲养容器材料（60 cm x 60 cm x 60 cm）
灯泡	Spotone	Philips		125 W，蜥蜴用加热灯
紫外灯泡	Ultra-Vitalux	Osram		300 W，蜥蜴用紫外线灯
Herptivite		Rep-Cal Research Labs		维生素：β-胡萝卜素、钙和维生素D3