在Y迷宫中整合视觉心理物理学检测以分离视觉特征在导航决策中的作用

摘要

本文介绍了一种行为检测方案，用于量化运动线索等视觉特征如何影响鱼类的方向选择。以金体美洲鳊（Notemigonus crysoleucas）追踪虚拟鱼运动的速度和准确性为例，展示了代表性数据。

摘要

动物的集体行为源于个体的动机以及对个体适应性至关重要的社会互动。鱼类长期以来启发了人们对集体运动的研究，特别是其在不同生态背景下整合环境与社会信息的能力。本演示介绍了利用计算机可视化和数字图像分析技术，量化鱼类（此处为金体美洲鳊（Notemigonus crysoleucas））对视觉刺激行为反应的方法。近年来计算机可视化技术的进步使得在实验室中进行实证测试成为可能，其中视觉特征可被精确控制和调节，从而分离出社会互动的机制。本方法旨在识别能够影响个体方向选择的视觉特征，无论个体处于单独状态还是群体环境中。本实验方案详细说明了物理Y型迷宫的结构、记录设备、投影仪与动画的设置及校准参数、实验步骤以及数据分析方法。这些技术表明，计算机动画能够引发具有生物学意义的行为反应。此外，这些方法易于调整，可用于检验不同假设、不同实验环境及不同物种的广泛实验需求。使用虚拟刺激可减少实验所需的活体动物数量，实现对实验动物使用的减量与替代，从而降低实验室运行成本。

本实验旨在验证以下假设：虚拟同种个体的运动速度存在较小的相对差异（每秒2个体长）时，能够提高闪光鱼追随虚拟轮廓所提供的方向线索的速度和准确性。结果表明，即使在存在背景噪声（67%图像一致性）的情况下，视觉线索速度的增加仍会显著影响闪光鱼的方向选择决策。在没有任何运动线索的情况下，实验对象会随机选择游动方向。决策速度与线索速度之间的关系具有可变性，且线索速度的增加对方向准确性的提升作用呈轻微的非比例性影响。

引言

动物持续感知并解读其所处的栖息环境，以便在与同类互动及在嘈杂环境中移动时做出合理决策。个体可通过将社会信息整合到自身行为中，从而增强情境感知能力和决策水平。然而，此类社会信息大多来源于非意图性线索的推断（例如为躲避捕食者而突然转向），这类线索往往不可靠，而非来源于为传递特定信息而进化出的直接信号（例如蜜蜂的摇摆舞）¹。识别个体如何快速评估社会线索或任何感官信息的价值，对研究者而言是一项具有挑战性的任务，尤其是在个体以群体形式移动时。视觉在调控社会互动中起着重要作用^2,3,4，已有研究根据每条鱼的视野范围推断出鱼群中可能形成的社会互动网络^5,6。然而，鱼群属于动态系统，由于群体成员之间的相互作用会产生固有的共线性及混杂因素，因此很难分离出个体对特定特征或邻近个体行为的具体响应。本实验方案的目的在于补充当前研究，通过隔离不同视觉特征，探究其如何影响单独或群体移动个体的运动方向决策。

本实验方案的优势在于将操控性实验与计算机可视化技术相结合，以分离个体在自然环境中可能感知的基本视觉特征。具体而言，Y型迷宫（

方案

所有实验方案均经美国密西西比州维克斯堡美国陆军工程研究与发展中心环境实验室机构动物照护与使用委员会批准（IACUC# 2013-3284-01）。

1. 感官迷宫设计

1. 在专用房间内，将实验置于一个防水的聚甲基丙烯酸甲酯Y形迷宫平台（自制）上进行，该平台放置在透明支撑平台上。本实验中，平台厚度为1.9 cm，由4根7.62 cm高的挤压铝梁支撑，平台宽1.3 m、长1.3 m、高0.19 m。
2. 构建结构相同的 holding 区域和 decision 区域（图1A）。本实验中，Y形迷宫的臂长为46 cm，宽23 cm，深20 cm，中央决策区域直径约为46 cm。
3. 在Y形迷宫底部粘贴白色可投影剧场屏幕，用于向实验区域投射视觉刺激。
4. 用白色乙烯基材料覆盖Y形迷宫的侧壁，以减少外部视觉刺激。
5. 安装一个可通过透明单丝线远程控制的透明闸门，将 holding 区域与中央决策区域隔开，以便在受试者适应环境后将其释放进入迷宫。
6. 加装额外的遮光帘，防止鱼类看到外部灯光、饲养装置和设备，例如在门框处安装直达地面的遮光帘，以最大限度减少外部房间或走廊的光线影响和阴影移动。

2. 记录设备

1. 根据背景图像、虚拟鱼与实验鱼之间的....

结果

假设与设计

为了验证该实验系统的实用性，我们检验了如下假设：金体美洲鱥（Golden Shiner）跟随视觉线索的准确性会随着线索移动速度的增加而提高。实验使用野生型金体美洲鱥（N = 16，体长（BL）和湿重（WW）分别为 63.4 ± 3.5 mm 和 1.8 ± 0.3 g）。视觉刺激的一致性（引导者/干扰者比例）固定为 0.67，而我们调节了运动线索（即引导者）相对于干扰者的移动速度。提供方向性提示的引导者剪影速度范围为 0–10 BL/s（以 2 为增量），覆盖了鱼类通常所表现出的持续、长时间或爆发式游泳活动模式对应的速度范围¹²。在对照水平（0）下，引导者剪影朝向多个随机取向的干扰者中的某一目标臂定向，但所有剪影均不移动。每次试验的目标臂由程序随机选定。距离单位为体长（BL），定义为实验对象的平均标准体长，时间单位为秒。当前的代表性分析主要集.......

讨论

已知视觉线索会引发鱼类对黑白光栅产生的视动反应¹³，并且越来越多的理论和实验证据表明，邻近个体的运动速度在调控鱼群中观察到的动力学相互作用方面起着重要作用^{7,14,15,16,17}。目前存在相互对立的假说，用以解释群体中个体如何整合邻近个体的运动信息，例如对所有可识别的线索做出比例性反应¹⁴、采用运动阈值响应机制¹⁷，或监测碰撞时间¹⁸。检验这些替代假说的第一步是验证其基本假设。本文展示了我们方案在确定特定感觉特征对方向决策引导作用方面的实用性。

我们研究了社会性鱼类——.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
黑白网络摄像机	Noldus，美国弗吉尼亚州利斯堡		https://www.noldus.com/
挤压铝材	80/20 公司，美国印第安纳州哥伦比亚市	3030-S	https://www.8020.net 3.00" X 3.00" 平滑T型槽型材，八个开放式T型槽
使用 Vpak 的硬粒饲料（1.5 mm 挤出颗粒）鱼类育成饲料	Zeigler Bros. Inc.，加德纳，宾夕法尼亚州，美国		http://www.zeiglerfeed.com/
金鲫鱼	美国阿肯色州索尔米诺鱼场		http://saulminnow.com/
ImageJ（v 1.52h）免费软件	美国国立卫生研究院（NIH）		https://imagej.nih.gov/ij/
LED轨道灯	Lithonia Lighting，康耶斯，佐治亚州，美国	BR20MW-M4	https://lithonia.acuitybrands.com/residential-track
Oracle 651 白色亚光乙烯基	651Vinyl，路易斯维尔，肯塔基州，美国	651-010M-12：5英尺	http://www.651vinyl.com，可订购多种尺寸。
PowerLite 570 投影仪	Epson，美国加利福尼亚州长滩	V11H605020	https://epson.com/For-Work/Projectors/Classroom/PowerLite-570-XGA-3LCD-Projector/p/V11H605020
免费软件 Processing（版本 3）	加工基金会		https://processing.org/
R（3.5.1）免费软件	统计计算 R 项目		https://www.r-project.org/
超白360度影院屏幕	Alternative Screen Solutions，克林顿，密歇根州，美国	1950	https://www.gooscreen.com。特殊裁剪尺寸需致电联系
Z-Hab 系统	美国佛罗里达州阿波卡，Pentair 水生生态系统公司		https://pentairaes.com/。详情及选型请咨询。