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Die Jagd nach Beute durch Raubtiere ist nicht nur ein anschauliches Beispiel für den Kampf ums Überleben, sondern auch ein wichtiger Motor der Evolution der Arten, der das ökologische Gleichgewicht und den Energiefluss in der Natur aufrechterhält 1,2. Für Raubtiere ist die Verfolgung von Beute ein anspruchsvolles Unterfangen, das eine Vielzahl physiologischer Prozesse umfasst. Zu diesen Prozessen gehören die Motivationszustände, die das Raubtier zur Jagd antreiben3, die Wahrnehmungsfähigkeiten, die es ihm ermöglichen, Beute zu erkennen und zu verfolgen 4,5,6, die Entscheidungsfähigkeiten, die den Verlauf der Jagd bestimmen7, die Bewegungsfunktion, die die körperliche Verfolgung ermöglicht 8,9 und die Lernmechanismen, die die Jagdstrategien im Laufe der Zeit verfeinern 10, 11. Anmelden Daher hat die räuberische Verfolgung in den letzten Jahren als wichtiges und komplexes Verhaltensmodell viel Aufmerksamkeit erhalten.
Als weit verbreitetes Säugetiermodell im Labor wurde dokumentiert, dass Mäuse Grillen sowohl in ihrem natürlichen Lebensraum als auch in Laborstudien jagen12. Die Vielfalt und die Unkontrollierbarkeit der lebenden Beute bei der Quantifizierung des Jagdverhaltens schränkt jedoch die Reproduzierbarkeit von Experimenten sowie den Austausch von Vergleichen zwischen verschiedenen Laboratorienein 13. Erstens können Grillenstämme von Labor zu Labor unterschiedlich sein, was zu Unterschieden in den Beutemerkmalen führt, die das Verfolgungsverhalten beeinflussen könnten. Zweitens haben einzelne Grillen einzigartige Eigenschaften, die das Ergebnis räuberischer Interaktionen beeinflussen können14. Zum Beispiel kann die Fluchtgeschwindigkeit jeder Grille unterschiedlich sein, was zu einer Variabilität in der Verfolgungsdynamik führt. Darüber hinaus können einige Grillen einen kurzen Warnabstand haben, was zu einem Mangel an Verfolgungsprozess führen kann, da das Raubtier möglicherweise nicht die Möglichkeit hat, die Verfolgung aufzunehmen. Schließlich können einige Grillen bei Stress ein defensives, aggressives Verhalten zeigen, was die Interpretation der experimentellen Daten erschwert15. Es ist schwierig zu bestimmen, ob Veränderungen im Verhalten von Raubtieren auf die Abwehrstrategien der Beute zurückzuführen sind oder den Verhaltensmustern des Raubtiers inhärent sind. Diese verschwommene Grenze zwischen Beuteverteidigung und Raubtierstrategien fügt der Erforschung der Raubjagd eine weitere Komplexitätsebene hinzu.
In Anbetracht dieser Einschränkungen haben sich die Forscher der künstlichen Beute zugewandt, um die Versuchsbedingungen zu kontrollieren und zu standardisieren16,17. Sieben Nagetierarten, darunter Mäuse, zeigten nachweislich ein signifikantes räuberisches Verhalten gegenüber künstlicher Beute13. Daher könnte ein kontrollierbarer Roboterköder bei der Untersuchung des räuberischen Verfolgungsverhaltens praktikabel sein. Durch die Konstruktion verschiedener künstlicher Beutetiere können die Forscher ein gewisses Maß an Kontrolle über die Versuchsbedingungen ausüben, was bei lebender Beute nicht möglich ist18,19. Darüber hinaus wurde in einer kleinen Anzahl früherer Studien künstlich gesteuerte Roboterfische oder Beutetiere verwendet, um das Schwarmverhalten und die Prädation bei Fischen zu untersuchen 15,17,19. Diese Studien haben den Wert von Robotersystemen bei der Bereitstellung konsistenter, wiederholbarer und manipulierbarer Reize für die experimentelle Forschung hervorgehoben, aber trotz dieser Fortschritte fehlt auf dem Gebiet des Nagetierverhaltens, insbesondere bei Mäusen, eine spezielle Plattform zur Erkennung und Quantifizierung von räuberischem Jagdverhalten mit Roboterködern.
Aus den oben genannten Gründen haben wir eine interaktive Open-Source-Echtzeitplattform entwickelt, um das räuberische Verfolgungsverhalten von Mäusen zu untersuchen. Der Roboterköder auf der Plattform kann in Echtzeit von den Mäusen entkommen, und der Roboterköder ist hochgradig kontrollierbar, so dass wir verschiedene Fluchtrichtungen oder Geschwindigkeiten einstellen können, um verschiedene Prädationsszenarien zu simulieren. Zur Generierung der Bewegungsparameter der robotischen Beute wurde ein Python-Programm auf dem Computer verwendet, das mit einem STM32-Mikrocontroller kombiniert wurde, um die Servomotoren anzutreiben und die Bewegung des robotischen Köders zu steuern. Das modulare Hardwaresystem kann in Echtzeit an die spezifische Laborumgebung angepasst werden, und das Softwaresystem kann die Schwierigkeit des Systems sowie die Indikatoren anpassen, um den Forschungszweck entsprechend den experimentellen Anforderungen besser zu erfüllen. Das leichte System ermöglicht eine deutliche Reduzierung der Rechenzeit des Computers, was für die Effektivität des Systems unerlässlich ist und seine Portabilität verbessert. Die Plattform unterstützt die folgenden technischen Merkmale: flexible und kontrollierbare künstliche Beute für einfache Wiederholung und Modellierung; maximale Simulation des Jagdprozesses in einer natürlichen Umgebung; Echtzeit-Interaktion und geringe Systemlatenz; die Skalierbarkeit von Hard- und Software sowie die Skalierbarkeit; Wirtschaftlichkeit und Benutzerfreundlichkeit. Mit dieser Plattform haben wir Mäuse erfolgreich darauf trainiert, räuberische Aufgaben unter verschiedenen Bedingungen auszuführen und konnten Parameter wie Flugbahn, Geschwindigkeit und relative Distanz während der Jagd auf Raubtiere quantifizieren. Die Plattform bietet eine schnelle Methode zur Etablierung eines räuberischen Verfolgungsparadigmas, um die neuronalen Mechanismen hinter der räuberischen Verfolgung weiter zu untersuchen.