Name: 在 Y-Maze 中集成视觉心理物理分析,以隔离视觉特征在导航决策中扮演的角色 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-05-02T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 9 s
Description: 学习在Y迷宫中对Golden Shiner进行视觉心理物理分析，以量化运动线索如何影响鱼类的导航决策。该方法揭示了视觉特征与个体及群体行为之间的关系。

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感谢 Bryton Hixson 提供的安装协助。本项目由美国陆军工程研究与发展中心环境质量与设施（EQI；技术主管：Elizabeth Ferguson 博士）基础研究项目资助。

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
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
2. 记录设备
<ol>
	<li>根据背景图像、虚拟鱼与实验鱼之间的对比度需求，选择合适的顶部摄像机（黑白）。</li>
	<li>安装顶部摄像机，用于从上方记录迷宫情况，以及记录鱼类行为和视觉投影。
	<ol>
		<li>本演示中使用黑白千兆以太网（GigE）摄像机，通过9米长的IP电缆连接至控制室内配备1 Gb以太网卡的计算机。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将摄像机连接至相邻房间的计算机，以便观察者可远程控制闸门、视觉刺激程序及摄像机录制软件。</li>
	<li>确保摄像机的采样率和帧率设置恰当，以避免因摄像机与软件和室内灯光不同步而产生的闪烁效应。
	<ol>
		<li>检查所在地区的电源频率；通过将交流电频率乘以或除以整数，调整摄像机的采样率（每秒帧数，fps），以防止闪烁。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>调整摄像机设置，利用软件和计算机优化图像清晰度，以便清晰观察相关行为。
	<ol>
		<li>本演示中，以每秒30帧（30 fps）的速率进行采样，空间分辨率为1280像素 × 1024像素。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 校准光源、投影仪和相机设置
<ol>
	<li>在实验房间的墙壁上安装四个顶部轨道照明系统。</li>
	<li>为灯具安装可调节的控制开关，以更灵活地调节房间环境光照强度。</li>
	<li>调整灯具位置，避免在迷宫表面产生反光（图1B）。</li>
	<li>将短焦距（ST）投影仪固定在迷宫支撑结构的底边（图1C）。
	<ol>
		<li>选择投影分辨率（本演示中设置为1440像素 × 900像素）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>调节由顶部照明灯和投影仪产生的环境光水平，使其与受试动物饲养房间的光照条件一致（本演示实验中设定为134 ± 5 lux，相当于阴天时的自然光照强度）。
	<ol>
		<li>为便于实验过程中操作并保证一致性，锁定调光开关的位置或做好标记。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用相机查看软件配置相机的曝光模式、增益和白平衡控制。
	<ol>
		<li>在本演示中，将Pylon Viewer设置为“连续拍摄”模式，曝光时间为8000 μs，增益为0，白平衡为96，以实现对视频录制的有效控制。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 校准视觉投影程序：背景
<ol>
	<li>将均匀的背景投射到迷宫底部，并测量投影仪产生的任何光线畸变。此处的背景使用 Processing（版本 3）创建，这是一个易于操作且文档完善的平台，可用于为科研项目定制可视化内容（https://processing.org/examples/）。
	<ol>
		<li>创建一个程序，使其运行一个 Processing 窗口并将其投射到迷宫底部。通过 background 命令可自定义窗口的背景颜色，该命令接受 RGB 颜色代码。Processing 教程中提供了多个小型示例程序（https://processing.org/tutorials/）。</li>
		<li>使用背景颜色程序校准投影仪及外部照明条件。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用图像处理程序测量投影仪产生的任何光线畸变，以识别与预期均匀背景之间的偏差。以下步骤适用于使用 ImageJ（版本 1.52h；https://imagej.nih.gov/ij/）。
	<ol>
		<li>用相机拍摄具有均匀背景颜色的 Y 型迷宫的静态图像，并在 ImageJ 中打开。</li>
		<li>使用直线、分段线或自由手绘线工具，从热点中心最亮的位置垂直向上画一条直线至 Y 型迷宫顶部（图 2A）。</li>
		<li>从“分析”菜单中选择 Plot Profile，生成灰度值随像素距离变化的曲线图。</li>
		<li>将像素数据保存为逗号分隔文件（.csv 文件扩展名），包含一个索引列和一个像素值列。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对齐投影区域与迷宫（图 2B），并对不需要的光线畸变进行建模，以减少投影仪可能引起的颜色失真（图 2C）。以下列出当前演示中所采取的步骤。
	<ol>
		<li>使用适当的制表符分隔读取函数导入 ImageJ 的像素强度数据文件（例如，使用 tidyverse 包中的 read_csv 函数读取逗号分隔文件）。</li>
		<li>计算样线沿线光强度的变异性，例如使用变异系数，以提供背景中畸变程度的基准参考。</li>
		<li>转换原始像素值，以反映从最亮到最暗的相对强度变化，其中最小的像素强度应接近图像程序中选定的目标背景颜色值。</li>
		<li>从异常区域最亮部分开始绘制转换后的像素强度值，通常会得到强度值随距光源距离增加而衰减的趋势。使用非线性最小二乘法（函数 nls）估计最佳拟合数据的参数值（此处采用高斯衰减函数）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用与生成背景反向图像相同的程序（Processing v. 3），结合 R（版本 3.5.1）创建反向梯度，以减少投影仪可能引起的颜色畸变。 
	注意：梯度函数将生成一系列以图像中最亮点为中心的同心圆，其像素强度随距中心距离变化而变化。每个环的颜色通过从背景颜色中减去模型预测的像素强度变化来定义。相应地，环的半径也随距光源距离增加而增大。最佳拟合模型应能降低甚至消除梯度上的像素强度差异，从而实现背景均匀性。
	<ol>
		<li>在视觉刺激程序中调整所需参数，创建高斯梯度（<img alt="高斯函数方程，公式 a·e^(-x²/(2·b²))+c，用于统计分析。" src="/files/ftp_upload/59281/59281eq1.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程">）。
		<ol>
			<li>参数 a 影响高斯分布梯度的明暗程度。数值越高，梯度越暗。</li>
			<li>参数 b 影响梯度的方差。数值越大，梯度在趋于目标背景像素强度 c 之前扩展的范围越广。</li>
			<li>参数 c 设定目标背景像素强度。数值越大，背景越暗。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>使用 saveFrame 函数将图像保存至文件夹，以便在实验期间上传固定背景图像，从而在实验试次中渲染刺激时减轻内存负担。</li>
		<li>重新运行背景生成程序并目视检查结果，如 图 2C 所示。重复步骤 4.3，量化在降低样线横截面上光强度变异性方面的任何改进效果。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过实验方式调整光照水平、模型参数或样线覆盖的距离（例如反向梯度的外半径），进行额外的手动调整，直至适应区的 RGB 值与决策区相近。本测试中的模型参数为：a = 215，b = 800，c = 4。</li>
	<li>将最终滤镜添加到实验视觉刺激程序中。</li>
</ol>
5. 校准视觉投影程序：视觉刺激
注意：使用 Processing 平台并参照以下步骤及其教程，也可实现视觉刺激的渲染与动画制作。当前程序逻辑的示意图见（图3），更多细节可参见 Lemasson 等（2018）7。以下步骤提供了本实验中所采用校准步骤的示例。
<ol>
	<li>打开视觉投影程序 Vfish.pde，将投影居中于迷宫的决策区域（图1A），并根据所测试的假设校准视觉投影（例如，校准轮廓的大小和速度，使其与测试对象的实际参数一致）。校准需在主程序（Vfish.pde）的头部通过预设的调试标志手动调整。在调试模式下（DEBUG = TRUE），依次启用每个 DEBUGGING_LEVEL_# 标志（编号 0-2），进行必要的调整：
	<ol>
		<li>将 DEBUGGING_LEVEL_0 标志设为“true”，然后点击草图窗口中的播放图标运行程序。调整 x 和 y 方向的位置值（域参数分别为 dx 和 dy），直至投影居中。</li>
		<li>将 DEBUGGING_LEVEL_1 设为“true”，以缩放鱼形轮廓（以椭圆形式渲染）的大小。运行程序，并迭代调整椭圆的宽度（eW）和长度（eL），使其与测试对象的平均尺寸相匹配。随后，将 DEBUGGING_LEVEL_2 设为“true”，以调整轮廓的基础移动速度（ss）。</li>
		<li>将 DEBUG 设为 FALSE，退出调试模式。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>检查干扰物轮廓是否始终限制在决策区域（DA，图1A）内，引导轮廓的轨迹是否正确对齐任一迷宫臂，并确保决策区域内引导物与干扰物的比例保持恒定。</li>
	<li>逐步操作程序的图形用户界面（GUI），确认各项选项功能正常。</li>
	<li>检查数据是否已正确写入文件。</li>
	<li>确保记录软件能够在存在视觉投影的情况下准确追踪实验鱼的行为。有关鱼类追踪的具体步骤，先前已在 Kaidanovich-Berlin 等人（2011）8、Holcomb 等人（2014）9、Way 等人（2016）10 以及 Zhang 等人（2018）11 的研究中详细描述。</li>
</ol>
6. 动物准备
<ol>
	<li>根据研究问题和应用选择受试物种，包括性别、年龄和基因型。将受试个体分配至实验饲养缸，并记录基线生物测量数据（如体长和体重）。</li>
	<li>将迷宫内的环境条件设置为与饲养系统一致。行为学基线实验的水质条件通常维持在该物种的最佳范围内，并符合实验装置的要求。
	<ol>
		<li>本演示中采用以下条件：12小时光照/12小时黑暗循环，顶部无频闪光源的卤素灯照度为134 ± 5 lux，水温22 ± 0.3°C，溶解氧97.4 ± 1.3%，pH值为7.8 ± 0.1。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在正式实验开始前5天内，每天将动物转移至实验区域适应最多30分钟，期间不施加计算机生成的视觉刺激（如鱼类轮廓），以完成习惯化过程。</li>
	<li>确保在实验时对受试鱼类进行选择、分配、称重、测量并转移至实验缸。 
	注：本实验中，黄金鲦鱼的标准体长和湿重分别为63.4 ± 3.5 mm SL和1.8 ± 0.3 g WW。</li>
	<li>在鱼类转移至不同水箱或迷宫时，采用水对水的转移方式，以减少因操作和暴露于空气中所引起的压力。</li>
	<li>实验应在规律且固定的光照周期内进行，以反映受试个体的自然生物节律。这允许在每日实验结束后喂食，从而限制消化过程对行为的影响。</li>
</ol>
7. 实验步骤
<ol>
	<li>打开房间投影仪和LED灯带系统，调节至预设亮度（本实验中为134 ± 5 lux），并让灯泡预热约10分钟。</li>
	<li>启动相机查看程序，并加载先前保存的光圈、色彩和录制设置，以确保获得最佳质量的视频。
	<ol>
		<li>打开Pylon Viewer，并激活用于录制的相机。</li>
		<li>从相机下拉菜单中选择加载功能（Load Features），然后导航至已保存的相机设置文件夹。</li>
		<li>打开已保存的设置文件（此处标记为camerasettings_20181001），以确保视频质量，然后点击连续拍摄模式。</li>
		<li>关闭Pylon Viewer。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>启动视觉投影程序Vfish.pde，检查投影是否保持在迷宫中央，确认DataOut文件夹为空，并确保程序运行正常。
	<ol>
		<li>使用步骤5.1.1检查校准环是否在DA中居中。</li>
		<li>打开DataOut文件夹，确保当天该文件夹为空。</li>
		<li>通过点击Vfish.pde草图窗口中的“播放”按钮运行视觉刺激程序，并使用虚拟变量验证程序功能。
		<ol>
			<li>输入鱼的编号（1-16），按Enter键，然后通过按Y或N确认选择（是或否）。</li>
			<li>输入群体大小（本实验中固定为1），并确认选择。</li>
			<li>输入所需轮廓移动速度（0-10 BL/s），并确认选择。</li>
			<li>按Enter键跳过适应期，检查决策区域中虚拟鱼的投影情况。</li>
			<li>按Pause键暂停程序，并输入虚拟结果选择，即左侧（1）或右侧（2）。</li>
			<li>按Stop键终止程序，并将数据写入文件。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>检查数据是否已正确写入DataOut文件夹中的文件，并在实验记录本中将该文件记录为测试运行，之后再将鱼放入实验区域进行适应。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用时钟时间和秒表在实验记录本中记录每次试验的开始和结束时间，以补充因部分重复试验持续时间较短而无法从视频回放中准确提取的经过时间。</li>
	<li>在将实验对象转移至迷宫前，使用饲养系统集水槽中的水进行换水（例如30%）。</li>
	<li>确认迷宫与饲养系统的水质相似，并检查闸门功能，确保其能平滑滑动至略高于水面的位置。</li>
	<li>根据预先设定的实验时间表（在整个实验过程中对受试者-处理组合进行随机化安排），输入当前试验所选参数（在适应期屏幕处暂停，参见步骤7.3.3.1 - 7.3.3.3）。
	<ol>
		<li>将处理组合信息记录到实验记录本中。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将实验对象转移至Y型迷宫的暂养区，进行10分钟的适应期。</li>
	<li>开始视频录制，然后在适应期结束时，在Vfish.pde窗口中按下Return键，以启动视觉投影。</li>
	<li>当虚拟鱼出现在实验区域内时，记录时钟时间，并提起暂养区闸门（图4A）。</li>
	<li>当实验对象身体的50%进入任一选择臂（图4B）或指定时间结束（例如5分钟）时，终止试验。
	<ol>
		<li>记录时钟时间、秒表的开始和结束时间，以及实验对象的选择（即左侧（1）、右侧（2）或无选择（0））。</li>
		<li>停止视频录制，并在视觉刺激程序中按下Pause键，程序将提示用户输入试验结果数据（所选臂编号或输入0表示未做选择）。确认选择后，程序将返回初始界面，等待输入下一次试验的参数。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>收集实验对象并将其放回相应的饲养缸中。对每次试验重复步骤7.7–7.13。</li>
	<li>在每轮实验结束时（上午或下午），待该轮最后一尾鱼完成选择后，在程序中按下Stop键。按下Stop键将把该轮数据写入文件。</li>
	<li>在上午实验结束后再次进行换水，以维持水质稳定。</li>
	<li>在当天最后一次试验结束后，查阅实验记录本并补充必要的备注。
	<ol>
		<li>在当天最后一次试验结束后，在视觉刺激程序中按下Stop键，将收集的数据输出至DataOut文件夹。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>核实可视化程序所保存的数据文件的数量、名称及存储位置。</li>
	<li>记录水质参数以及迷宫房间内的光照强度，与早晨设置值进行比较。将增氧系统和加热器放入Y型迷宫中。</li>
	<li>关闭投影仪和实验房间的追踪照明系统。</li>
	<li>按预定的日粮量喂食鱼类。</li>
</ol>
8. 数据分析
<ol>
	<li>确保实验数据包含必要的变量（例如日期、试验编号、受试者编号、程序选择的臂、测试的视觉因素、受试者选择、开始和结束时间以及备注）。</li>
	<li>检查是否存在任何记录错误（人为或程序引起）。</li>
	<li>将反应结果制表，并检查受试者是否存在任何方向性偏差的迹象（例如，对对照条件下臂选择进行二项检验）7。</li>
	<li>当实验设计采用对同一受试个体进行重复测量时（如此处情况），建议使用混合效应模型。</li>
</ol>

<ol><li>Dall, S. R. X., Olsson, O., McNamara, J. M., Stephens, D. W., Giraldeau, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Information+and+its+use+by+animals+in+evolutionary+ecology%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+in+Ecology+and+Evolution%22%5BJournal%5D)">Information and its use by animals in evolutionary ecology.</a> Trends in Ecology and Evolution. 20 (4), 187-193 (2005).</li>
<li>Pitcher, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sensory+information+and+the+organization+of+behaviour+in+a+shoaling+cyprinid+fish%5BTitle%5D)+AND+%22Animal+Behaviour%22%5BJournal%5D)">Sensory information and the organization of behaviour in a shoaling cyprinid fish.</a> Animal Behaviour. 27, 126-149 (1979).</li>
<li>Partridge, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+structure+and+function+of+fish+schools%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+American%22%5BJournal%5D)">The structure and function of fish schools.</a> Scientific American. 246 (6), 114-123 (1982).</li>
<li>Fernández-Juricic, E., Erichsen, J. T., Kacelnik, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visual+perception+and+social+foraging+in+birds%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+in+Ecology+and+Evolution%22%5BJournal%5D)">Visual perception and social foraging in birds.</a> Trends in Ecology and Evolution. 19 (1), 25-31 (2004).</li>
<li>Strandburg-Peshkin, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visual+sensory+networks+and+effective+information+transfer+in+animal+groups%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Biology%22%5BJournal%5D)">Visual sensory networks and effective information transfer in animal groups.</a> Current Biology. 23 (17), R709-R711 (2013).</li>
<li>Rosenthal, S. B., Twomey, C. R., Hartnett, A. T., Wu, S. H., Couzin, I. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Behavioral+contagion+in+mobile+animal+groups%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+%28U.S.A.%29%22%5BJournal%5D)">Behavioral contagion in mobile animal groups.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences (U.S.A.). 112 (15), 4690-4695 (2015).</li>
<li>Lemasson, B. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Motion+cues+tune+social+influence+in+shoaling+fish%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Motion cues tune social influence in shoaling fish.</a> Scientific Reports. 8 (1), e9785(2018).</li>
<li>Kaidanovich-Beilin, O., Lipina, T., Vukobradovic, I., Roder, J., Woodgett, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+social+interaction+behaviors%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized.+Experiments%22%5BJournal%5D)">Assessment of social interaction behaviors.</a> Journal of Visualized. Experiments. (48), e2473(2011).</li>
<li>Holcombe, A., Schalomon, M., Hamilton, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+method+of+drug+administration+to+multiple+zebrafish+%28Danio+rerio%29+and+the+quantification+of+withdrawal%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized.+Experiments%22%5BJournal%5D)">A novel method of drug administration to multiple zebrafish (Danio rerio) and the quantification of withdrawal.</a> Journal of Visualized. Experiments. (93), e51851(2014).</li>
<li>Way, G. P., Southwell, M., McRobert, S. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Boldness%2C+aggression%2C+and+shoaling+assays+for+zebrafish+behavioral+syndromes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized.+Experiments%22%5BJournal%5D)">Boldness, aggression, and shoaling assays for zebrafish behavioral syndromes.</a> Journal of Visualized. Experiments. (114), e54049(2016).</li>
<li>Zhang, Q., Kobayashi, Y., Goto, H., Itohara, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+automated+T-maze+based+apparatus+and+protocol+for+analyzing+delay-+and+effort-based+decision+making+in+free+moving+rodents%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized.+Experiments%22%5BJournal%5D)">An automated T-maze based apparatus and protocol for analyzing delay- and effort-based decision making in free moving rodents.</a> Journal of Visualized. Experiments. (138), e57895(2018).</li>
<li>Videler, J. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aVideler%2C+JJ+%22Fish+Swimming%22">Fish Swimming</a>. , Netherlands. Springer. 260 pp., ISBN-13 9789401115803 (1993).</li>
<li>Orger, M. B., Smear, M. C., Anstis, S. M., Baier, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Perception+of+Fourier+and+non-Fourier+motion+by+larval+zebrafish%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Perception of Fourier and non-Fourier motion by larval zebrafish.</a> Nature Neuroscience. 3 (11), 1128-1133 (2000).</li>
<li>Romey, W. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Individual+differences+make+a+difference+in+the+trajectories+of+simulated+schools+of+fish%5BTitle%5D)+AND+%22Ecological+Modeling%22%5BJournal%5D)">Individual differences make a difference in the trajectories of simulated schools of fish.</a> Ecological Modeling. 92 (1), 65-77 (1996).</li>
<li>Katz, Y., Tunstrom, K., Ioannou, C. C., Huepe, C., Couzin, I. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inferring+the+structure+and+dynamics+of+interactions+in+schooling+fish%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+%28U.S.A.%29%22%5BJournal%5D)">Inferring the structure and dynamics of interactions in schooling fish.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences (U.S.A.). 108 (46), 18720-18725 (2011).</li>
<li>Herbert-Read, J. E., Buhl, J., Hu, F., Ward, A. J. W., Sumpter, D. J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Initiation+and+spread+of+escape+waves+within+animal+groups%29%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+%28U.S.A.%29%22%5BJournal%5D)">Initiation and spread of escape waves within animal groups).</a> Proceedings of the National Academy of Sciences (U.S.A.). 2 (4), 140355(2015).</li>
<li>Lemasson, B. H., Anderson, J. J., Goodwin, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Motion-guided+attention+promotes+adaptive+communications+during+social+navigation%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Royal+Society%22%5BJournal%5D)">Motion-guided attention promotes adaptive communications during social navigation.</a> Proceedings of the Royal Society. 280 (1754), e20122003(2013).</li>
<li>Moussaïd, M., Helbing, D., Theraulaz, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+simple+rules+determine+pedestrian+behavior+and+crowd+disasters%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+%28U.S.A.%29%22%5BJournal%5D)">How simple rules determine pedestrian behavior and crowd disasters.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences (U.S.A.). 108 (17), 6884-6888 (2011).</li>
<li>Bianco, I. H., Engert, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visuomotor+transformations+underlying+hunting+behavior+in+zebrafish%29%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Biology%22%5BJournal%5D)">Visuomotor transformations underlying hunting behavior in zebrafish).</a> Current Biology. 25 (7), 831-846 (2015).</li>
<li>Chouinard-Thuly, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Technical+and+conceptual+considerations+for+using+animated+stimuli+in+studies+of+animal+behavior%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Zoology%22%5BJournal%5D)">Technical and conceptual considerations for using animated stimuli in studies of animal behavior.</a> Current Zoology. 63 (1), 5-19 (2017).</li>
<li>Nakayasu, T., Yasugi, M., Shiraishi, S., Uchida, S., Watanabe, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+computer+graphic+animations+for+studying+social+approach+behaviour+in+medaka+fish%3A+Effects+of+systematic+manipulation+of+morphological+and+motion+cues%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional computer graphic animations for studying social approach behaviour in medaka fish: Effects of systematic manipulation of morphological and motion cues.</a> PLoS One. 12 (4), e0175059(2017).</li>
<li>Stowers, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Virtual+reality+for+freely+moving+animals%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">Virtual reality for freely moving animals.</a> Nature Methods. 14 (10), 995-1002 (2017).</li>
<li>Warren, W. H., Kay, B., Zosh, W. D., Duchon, A. P., Sahuc, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optic+flow+is+used+to+control+human+walking%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Optic flow is used to control human walking.</a> Nature Neuroscience. 4 (2), 213-216 (2001).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22The+IACUC+Handbook%22">The IACUC Handbook</a>. Silverman, J., Suckow, M. A., Murthy, S. , 3rd Edition, CRC Press, Taylor and Francis. 827 pp., ISBN-13 9781466555648 (2014).</li>
</ol>

所有作者均对实验设计、数据分析和论文撰写做出了贡献。A.C.U. 和 C.M.W. 负责实验装置的搭建和数据收集。作者声明无任何利益冲突。

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——...

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（图1）可用于将方向选择简化为二元反应，并引入计算机生成的动画图像，模拟虚拟邻近个体的游动行为。这些图像从迷宫下方向上投射，以模拟同种个体在单个或多个受试者下方游动时所产生的轮廓。这些轮廓的视觉特征（如形态、速度、协调性及游动行为）可轻松调整，以检验不同的假设7。
本文通过分离模型社会性鱼类——金鲫鱼（Notemigonus crysoleucas）个体对虚拟邻居相对运动速度的响应，展示了该方法的应用价值。本实验方案的重点在于探究虚拟邻居的运动速度是否会影响其方向性作用，以及如果存在影响，量化所观察到的关系形式。具体而言，方向性线索是通过设定固定比例的轮廓图像作为“引导者”，并以弹道式运动向某一侧臂状区域移动而产生的。其余轮廓图像则作为“干扰者”，以随机方式移动，产生可通过调节引导者/干扰者比例来调整的背景噪声。引导者与干扰者的比例反映了方向性线索的一致性程度，可根据需要进行调节。干扰者的轮廓图像被限制在决策区域（“DA”，图1A）内，当其触及边界时会反射返回；而引导者的轮廓图像则允许离开DA区域，进入指定的臂状区域，并在穿越该臂长度的1/3后逐渐淡出。随着引导者离开DA区域，新的引导者轮廓图像会立即补位，并沿完全相同的路径重复移动，以确保在整个实验过程中DA区域内的引导者/干扰者比例保持恒定。
利用虚拟鱼可以控制视觉感觉信息，同时监测受试者的定向反应，这可能揭示群体中社会性导航、运动或决策行为的新特征。通过调整计算机动画以产生不同复杂程度的行为模式，此处采用的方法可应用于广泛的研究问题，例如亚致死性应激或捕食对社会互动的影响。

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

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

Integrating Visual Psychophysical Assays within a Y-Maze to Isolate the Role that Visual Features Play in Navigational Decisions

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。

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...

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。

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

动物的集体行为源于个体动机和社会互动，这些因素对个体的适应性至关重要。鱼类长期以来启发了……

本方案使我们能够模拟自由游动的鱼类在群体中移动时可能经历的视觉特征，并量化这些特征如何影响其导航决策。该技术可用于关联个体对感觉线索的方向性反应，以研究这些决策如何根据其他个体的行为而变化。我们的方法有助于深入理解动物如何评估和导航其环境，以及与集体决策、人工智能和复杂工程系统相关的涌现特性。在自由活动的个体上进行心理物理学实验具有挑战性。我们不断努力最大限度地控制动物的感官体验，同时避免实验设备带来的非必要线索对其行为产生干扰。视频记录是阐明复杂实验方法的极佳形式，因为它能提高实验的透明度，并有望增强可重复性。首先，在专用房间内将一个定制的防水聚甲基丙烯酸甲酯Y形迷宫平台放置在透明支撑平台上。Y形迷宫的臂部以及左右区域在结构上应完全相同。例如，此处Y形迷宫的臂长为46厘米，宽为23厘米，深为20厘米，中央决策区直径约为46厘米。安装一个顶部的黑白千兆以太网摄像头，从上方记录迷宫以及鱼类的行为和视觉投射，通过九米长的互联网协议电缆连接到控制室内配备千兆以太网卡的计算机。然后，使用连接计算机上的软件调整摄像头设置，以优化图像清晰度，便于观察相关行为。在实验房间的墙壁上方安装四个轨道照明系统，合理布置灯具位置，避免迷宫表面产生反光。将短焦投影仪固定在迷宫支撑结构的底边，并将投影分辨率设置为 1440 × 900 像素。然后使用图像处理程序测量并校正投影仪产生的任何光线畸变。在开始实验试验之前，将迷宫内的环境条件设置为与饲养系统一致，并在无计算机生成视觉刺激的情况下，每天将动物转移至实验区域适应最多 40 分钟，持续五天。在此期间，选择、分配、称重、测量并将受试鱼类转移至实验水箱。为启动心理物理学检测，打开房间投影仪和发光二极管照明轨道系统，调节至预设的亮度水平，使灯泡充分预热。启动摄像机查看程序，加载在设备设置期间保存的光圈、色彩和录制参数设置，以确保获得最佳质量的视频，并激活用于录制的摄像机。从相机下拉菜单中选择“加载特征”，然后导航至已保存的相机设置文件夹。打开已保存的设置以确认视频质量，然后在关闭查看程序前点击“连续拍摄”。根据预先设定的实验时间表，在整个实验过程中对受试对象进行随机化处理暴露，输入当前试验所选定的参数值，将处理组合数据记录到实验记录本中，并在 Vfish 中按下回车键。启动视觉投影的PDE窗口。当虚拟鱼出现在实验区域时，记录时钟时间并升起阻隔门。当受试鱼身体的50%进入某一选择臂，或指定的实验时长结束时，终止该次试验。记录时钟时间、秒表的开始和结束时间，以及鱼的选择。停止视频录制，并在视觉刺激程序中按下暂停，以提示用户输入该次试验的结果数据。确认选择后，程序将返回至初始界面，并等待输入下一次实验试验的数值。然后，将鱼放回其暂养缸中，并将下一条鱼放入Y形臂的持握区域以进行下一次试验。在每次实验结束时，当该批次的最后一条鱼做出选择后，在程序中按下停止按钮，以将本次实验的数据写入文件。在上午的实验批次结束后，重复进行水体交换，以确保各次试验间水质的稳定性，并检查实验记录本，记录任何需要补充的内容。最后一次下午试验结束后，按下视觉刺激程序中的“停止”按钮，将采集的数据输出至数据输出文件夹。在此项代表性实验中，大多数鱼类在跟随方向性刺激时的准确性随着刺激速度的增加而显著提高。然而，决策速度的趋势在不同刺激速度水平下不一致且变异程度较高，表明受试鱼在刺激运动时做出决策所需时间平均为刺激静止时的5到20倍。我们的方法可进一步拓展，用于检测亚致死性应激对个体间社会信息传递的响应时机和一致性的效应。我们的技术已成功整合了Y迷宫和随机点运动检测，有助于揭示个体在导航周围环境时所遵循的感觉规则。在同时操作水和电时，应采取安全预防措施，例如使用接地故障断路器（GFCI）开关、滴水环路以及防滑防电击的鞋具，以降低触电和滑倒的风险。

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Research

科研

JoVE Journal

Behavior

行为

在 Y-Maze 中集成视觉心理物理分析,以隔离视觉特征在导航决策中扮演的角色

小鼠能够游泳，但许多品系似乎认为这种活动具有应激性。为解决这一问题，研究人员设计了迷宫，通过让小鼠从浅水中逃脱来激发其行为动机。这些迷宫已被证明至少能支持与传统且广泛应用的莫里斯水迷宫相当的学习效果。...

小鼠浅水（涉水）版水迷宫测试变体

MazeSuite 是一套完整的工具集，用于准备、呈现和分析导航与空间实验。功能性近红外光谱成像（fNIR）是一种光学脑成像技术，可实现对大脑血氧变化的无创、便携式监测。本文总结了在认知加工学习范式中联合使用 MazeSuite 与 fNIR...

使用MazeSuite和功能性近红外光谱技术研究空间导航中的学习过程

基于音频的环境模拟器（AbES）是一种虚拟环境软件，旨在提高盲人的真实世界导航能力。...

开发基于音频的虚拟游戏环境以辅助盲人导航技能训练

我们介绍了在地面投影迷宫上对大鼠进行完全自动化认知任务的慢性电生理记录训练的实验方案。...

使用地面投影迷宫记录神经活动的自动化视觉认知任务

通过在啮齿类动物上进行的行为学测试，可以观察到糖尿病引起的眼睛和大脑的神经退行性病变。Y型迷宫实验用于评估空间认知能力，而视动反应则用于评估视觉功能，这两项检测均可为潜在的诊断和治疗提供重要信息。...

通过视觉运动反应和Y迷宫评估糖尿病大鼠的视觉功能和认知功能

Y迷宫可帮助研究人员确定驱动动物行为的特定刺激的相关性，尤其是来自多种来源的孤立化学信号。通过精心的设计与规划，可获得可靠的数据（例如，辨别能力、探索程度以及多种行为表现）。这种实验装置能够为行为学和生态学问题提供有力的见解。...

使用封闭式Y型迷宫评估爬行动物的化学感受行为

本实验方案描述了一种可重构迷宫，这是一种用于检测啮齿类动物空间导航能力和行为表型的独特系统。该迷宫系统的可适应性使得在单一物理环境中能够开展多种实验。其结构易于重新配置，可产生可靠且可重复的实验结果。...

利用可重构迷宫系统提高啮齿类动物空间导航测试的可重复性

本文描述了在小鼠中常用线性轨道虚拟现实（VR）范式的实验操作流程，并通过测试Y形信号辨别任务，验证了执行复杂VR任务的可行性。...

小鼠固定头部虚拟现实的行为训练流程

目前尚不清楚来自腹侧视觉通路的自上而下信号如何影响运动。我们建立了一种实验范式，用于检测在三维深度反转错觉条件下朝向目标的运动行为。研究发现，在错觉和真实视觉条件下，无论是有意识的目标导向运动，还是自动动作，均存在显著差异。...

探索自上而下视觉过程对运动行为影响的方法

通过功能磁共振成像获得视觉群感受野（pRFs）的无偏估计至关重要。我们采用适度的正则化约束来估计pRF拓扑结构，而无需预先假设pRF的形状，从而允许我们在事后选择特定的pRF模型。这种方法在具有视觉通路病变的受试者中尤为有利。...

通过fMRI对视觉群体感受野进行地形估计

学习在Y迷宫中对Golden Shiner进行视觉心理物理分析，以量化运动线索如何影响鱼类的导航决策。该方法揭示了视觉特征与个体及群体行为之间的关系。

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

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