使用 FishSim 动画工具链研究鱼类行为：以帆鳍花鳉中配偶选择模仿为例

摘要

利用新型的 FishSim 动画工具链，我们提出了一种在帆鳍花鳉求偶选择模仿行为研究中非侵入性地视觉操控公共信息的实验方案。FishSim 动画工具链为设计、制作和呈现用于活体测试鱼类行为实验的计算机动画鱼类刺激提供了易于使用的框架。

摘要

在过去十年中，由于计算机动画能够以非侵入性方式操控视觉刺激的外观和行为，相比操控活体动物具有优势，因此在动物行为研究中的应用日益增多。本文介绍了FishSim动画工具链，这是一种软件框架，旨在为研究人员提供一种简便易用的方法，将三维计算机动画应用于鱼类行为实验中。该工具链提供了五种不同鱼类物种的虚拟三维刺激模板。这些刺激可根据活体鱼的照片进行外观和尺寸的个性化定制。通过使用视频游戏控制器在虚拟环境中记录游泳路径，可实现多个刺激的动画化。为了提高模拟行为的标准化程度，预先录制的游泳路径可应用于不同的刺激进行回放。多个动画随后可被组织成播放列表，并在活鱼实验过程中于显示器上呈现。

在一项关于帆鳍花鳉（Poecilia latipinna）的案例研究中，我们提供了一种使用FishSim进行配偶选择模仿实验的操作方案。我们利用该方法创建并动画化了虚拟雄鱼和虚拟示范雌鱼，随后在二选一选择实验中将这些动画呈现给活体目标雌鱼。我们的结果表明，计算机动画可用于在配偶选择模仿实验中模拟虚拟鱼类，以研究雌鱼妊娠斑作为示范雌鱼质量信号在配偶选择模仿中的作用。

该方法的应用不仅限于配偶选择复制实验，还可用于多种实验设计。然而，其可用性取决于研究物种的视觉能力，且首先需要验证。总体而言，计算机动画为实验提供了高度的控制性和标准化，并具有“减少”和“替代”活体刺激动物以及“优化”实验流程的潜力。

引言

近年来，利用现代技术创建人工刺激（如计算机动画和虚拟现实）在研究中日益流行¹。与使用活体刺激动物的传统实验方法相比，这些方法具有多项优势^1,2。计算机动画能够以非侵入性方式操控实验中所用虚拟刺激动物的外观（如体型、颜色）和行为。例如，在针对绿剑尾鱼（Xiphophorus helleri）的研究中，早期研究需通过手术移除雄性个体的剑尾以检验雌性的配偶偏好³，而后续研究通过使用计算机动画，已不再需要此类手术操作⁴。此外，计算机动画还可构建自然界中极为罕见的表型⁵，甚至可将虚拟动物的形态特征调整至超出该物种自然变异范围的程度⁴。特别是对行为进行系统性操控的可能性，是计算机动画的一大显著优势，因为这一点在使用活体动物时几乎无法实现^6,7。

目前已有多种技术可用于制作计算机动画。简单的二维（2D）动画通常基于刺激物仅在两个维度上移动的图像，可使用常见的软件如 MS PowerPoint

方案

实验操作及鱼类处理均符合德国动物福利法（Deutsches Tierschutzgesetz），并经锡根大学内部动物福利官员乌尔斯·吉塞尔曼博士（Dr. Urs Gießelmann）以及锡根-维特根施泰因县兽医局（Kreisveterinäramt Siegen-Wittgenstein）批准（许可证编号：53.6 55-05）。

1. 虚拟鱼类设计

注意： 所需硬件和软件的清单请见补充材料列表。FishSim 的总体功能详细说明以及更多使用技巧详见用户手册（https://bitbucket.org/EZLS/fish_animation_toolchain/）。

1. 制备带有和不带有妊娠斑的雌性鱼体纹理
   1. 启动 GIMP，然后点击 文件 >> 打开，从目录“fishsim_animation_toolchain”中的 models 文件夹打开雌性鱼体纹理图像“PLF_body_6.png”。将此图像作为所有新创建的带有妊娠斑的雌性鱼体纹理的参考。使用 自由选择工具 选中参考图像中的深色妊娠斑区域，并将其剪切（点击

结果

按照实验方案，我们使用 FishSim 创建了虚拟帆鳍花鳉雄性和雌性的计算机动画。随后，我们利用该工具链在二选一的情境下向活体目标雌鱼呈现这些动画，根据协议中所述的实验流程以及图1和步骤5进行MCC实验。

为了确定焦点雌性是否模仿虚拟模型雌性的选择，我们在实验过程中测量了焦点雌性在第一次和第二次交配选择测试中对每只雄性的关联时间。通常使用各处理组和对照组在第一次及第二次交配选择测试中获得的关联时间来分析多个参数，以评估选择的一致性。数据分析方法并不局限于特定的统计检验，而可通过多种方式进行（例如，参数/非参数检验、重复测量方差分析、统计模型），并可能取决于最终的数据结构。在本研究的数据分析中，我们使用了 R 3.2.2⁶²。我们将实验中获得的原始数据以及用于分析的 R 代码上传至 Figshare（doi: 1.......

讨论

既往研究认为，帆鳍花鳉雌性个体的妊娠斑可能是向同种雄性展示生育力的一种信号^59,60。然而，妊娠斑是否也能在雌性间的配偶选择过程中为同种雌性提供信息，此前尚未得到检验。在本案例研究中，我们探讨了妊娠斑在多雌性选择（MCC）情境下，作为同种观察雌性获取公共信息来源的潜在作用。本研究表明，在决定是否模仿虚拟示范雌性对某一虚拟雄性的配偶选择时，妊娠斑似乎并非活体焦点雌性判断示范雌性质量的标志。无论示范雌性是否具有妊娠斑，焦点雌性均会模仿其对先前非偏好的虚拟雄性的选择。我们在两种处理条件下未发现模仿得分或配偶选择逆转次数的差异，表明无论示范雌性是否具有妊娠斑，其模仿效应的强度均相当。在对照组中未提供公共信息（即无示范雌性存在）时，焦点雌性在配偶选择上保持一致。这支持了实验中各处理组内偏好变化仅可归因于虚拟示范雌性的存在，即后者提供了足以引发模仿他人配偶选择行为的充分公共信息。

尽管通常认为妊娠斑的存在及其明显程度与雌性个体的生殖周期相关，即在分娩前最大，分娩后最小或消失

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
硬件
2台19" Belinea LCD显示器	Belinea GmbH，德国	型号1970 S1-P	分辨率为1280 x 1024像素
1台24" Fujitsu LCD显示器	Fujitsu Technology Solutions GmbH，德国	型号B24-8 TS Pro	分辨率为1920 x 1080像素
计算机			Intel Core 2 Quad CPU Q9400 @ 2.66GHz × 4，GeForce GTX 750 Ti/PCIe/SSE2，7.8 GiB内存，64位，1TB；配备键盘和鼠标
SONY Playstation 3无线控制器	Sony Computer Entertainment Inc.，日本	型号CECHZC2E	通过USB线缆连接至计算机
玻璃水族箱			100 cm × 40 cm × 40 cm（长×高×宽）
有机玻璃圆筒	定制		高49.5 cm，壁厚0.5 cm，直径12 cm；在圆筒末端附近钻有八个直径约5 mm的小孔，以减少释放鱼类时的水流扰动
砾石
2台OSRAM L58W/965	OSRAM GmbH，德国		用于实验装置的照明
2个秒表
名称	公司	目录编号	备注
软件
ubuntu 16.04 LTS			计算机操作系统；可从以下网址下载：https://www.ubuntu.com/
FishSim Animation Toolchain v.0.9			软件及用户手册（PDF）可从以下网址下载：https://bitbucket.org/EZLS/fish_animation_toolchain
GIMP Gnu图像处理程序（版本2.8.22）			可从以下网址下载：https://www.gimp.org/