Ein interaktives Echtzeitsystem zur Untersuchung des konfrontativen Verfolgungsverhaltens bei Nagetieren

Räuberisches Verfolgungsverhalten beinhaltet verschiedene physiologische Prozesse, es fehlt jedoch an geeigneten Forschungsmethoden. Diese Forschung zielt darauf ab, eine standardisierte Methode zur Erforschung neuronaler Mechanismen des Verhaltens von Tieren vorzuschlagen, die durch sensorische Reize ausgelöst werden, insbesondere bei der Raubtier-Beute-Jagd. Technologien wie Optogenetik, Elektrophysiologie und Bildgebung des Gehirns werden häufig eingesetzt, um die Wissenschaft auf diesem Gebiet voranzutreiben. Die Optogenetik ermöglicht eine präzise Steuerung der neuronalen Aktivität und die Elektrophysiologie zeichnet neuronale Signale auf. Die größte Herausforderung ist die Unkontrollierbarkeit von lebender Beute, wie z.B. Grillen, die es schwierig macht, die Jagd zu beobachten und für standardisierte Experimente zu definieren. Räuberisches Verhalten kann in vier Phasen unterteilt werden: Suchen, Jagen, Angreifen und Konsumieren. In den letzten Jahren wurden die beiden letztgenannten Stadien umfassend untersucht, während das Such- und Verfolgungsverhalten selten involviert war. Dieses Protokoll bietet flexible und kontrollierbare künstliche Beute für wiederholte Experimente und Modellierungen, maximiert die Simulation der natürlichen Jagd mit Echtzeit-Interaktion und geringer Latenz und bietet skalierbare Hard- und Software, die kostengünstig und einfach zu bedienen sind.

[Erzähler] Montieren Sie zunächst eine Webcam an einer Querstange über der gesamten Plattform, um in Echtzeit die Positionen der Maus und des Roboterköders in der Arena darunter zu überwachen und die Bilder an den Computer zu übertragen. Entwerfen Sie eine große kreisförmige Arena mit einem Durchmesser von 800 Millimetern und einer Höhe von 300 Millimetern, bestehend aus einer quadratischen Acrylplatte an der Unterseite und einem Acrylrohr als Rand. Platzieren Sie vier gleichmäßig verteilte Symbole – Quadrat, Dreieck, Kreis und Kreuz – an den Innenwänden der Arena, um als visuelle Hinweise zu dienen. Bringen Sie einen blauen Aufkleber auf der Oberfläche des Magneten an, um ihn leicht zu identifizieren und zu lokalisieren. Verwenden Sie einen runden Neodym-Magneten mit Futterpellets als Roboterköder. Montieren Sie dann einen zweidimensionalen Schieber mit einem effektiven Verfahrweg von 1.000 Millimetern unter der Arena. Installieren Sie einen weiteren Neodym-Magneten auf dem Träger des Schiebers, der als Zugmagnet für die Fernbewegung des Roboterköders mit Magnetkraft dient. Antrieb des Polarmagneten mit Servomotoren, die von einer STM32-Platine und einem Schaltkreis gesteuert werden. Schreiben Sie ein Diagramm für den Geschwindigkeitsregelungsmodus. Stellen Sie den Servomotor in den Drehzahlrichtungsmodus, in dem die hohen oder niedrigen Signalpegel die Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung kodieren und die Frequenz des PWM-Wellenausgangs die Geschwindigkeit codiert. Um den Roboterköder in die Mitte der Arena zu bewegen, führen Sie das Reset-Programm aus. Isoliere die Maus am Rand der Arena mit einer Schallwand. Legen Sie danach den Namen des Experiments und den Pfad der Datei fest. Stellen Sie dann im Hauptprogramm die Bewegungsgeschwindigkeit des Köderroboters auf 5 Zentimeter pro Sekunde ein. Klicken Sie auf Ausführen und überprüfen Sie im Popup-Videofenster, ob die Maus und der Roboterköder stabil erkannt werden. Entfernen Sie die Schallwand und starten Sie den Timer, um das räuberische Verhalten der Maus 20 Minuten lang zu beobachten. Setzen Sie die Maus wieder in ihren Käfig ein und gönnen Sie sich eine 24-stündige Erholungsphase mit freiem Zugang zu Futter und Wasser. Reinigen Sie die Arena nach jeder Gewöhnungsprobe gründlich mit 75% Alkohol und Wasser. Bewegen Sie den Roboterköder in die Mitte der Arena, indem Sie das Reset-Programm wie zuvor gezeigt ausführen, und isolieren Sie die Maus mit einer Schallwand am Rand der Arena. Nachdem Sie den Namen des Experiments, den Pfad der Datei und die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboterköders festgelegt haben, klicken Sie in der Software auf Ausführen und beobachten Sie das Videofenster, um eine stabile Erkennung sowohl der Maus als auch des Roboterköders sicherzustellen. Entfernen Sie die Schallwand und starten Sie den Timer. Wenn die Maus den Roboterköder innerhalb von 60 Sekunden fängt, schließen Sie das Hauptprogramm und lassen Sie die Maus alle Futterpellets verschlingen, bevor sie in den Käfig zurückgebracht wird. Bringen Sie die Maus ohne Belohnung oder Bestrafung in den Käfig zurück, wenn die Maus den Roboterköder nicht innerhalb von 60 Sekunden fangen kann. Die Prädationsaufgaben wurden bei unterschiedlichen Geschwindigkeitsschwierigkeiten durchgeführt, und die Ergebnisse zeigen, dass die Zeit bis zum ersten robotergestützten Köderfang in allen Siedlungsversuchen signifikant abnahm, was auf ein schnelles Lernen bei Mäusen hindeutet. Mäuse hatten mit 15 Zentimetern pro Sekunde einen höheren Fangerfolg als mit 30 Zentimetern pro Sekunde, was eine geschwindigkeitsabhängige Schwierigkeit zeigte. Die Prädationszeit stabilisierte sich jedoch nach wiederholten Versuchen unter 15 Sekunden, unabhängig von der Ködergeschwindigkeit. Ausgeprägte Such- und Verfolgungsphasen wurden auch in den Bewegungsmustern der Mäuse beobachtet. Das Verfolgungsverhalten wurde zuverlässig über die Ködergeschwindigkeiten induziert, was sich in einer verringerten Distanz und einer erhöhten Geschwindigkeit während der Verfolgung zeigt. Auch die Raubtieraufgaben wurden mit unterschiedlichen Fluchtstrategien durchgeführt. Die Beta-Escape-Strategie hatte jedoch keinen Einfluss auf die Erfolgsraten bei der Beute. Die Raubzeit verringerte sich und stabilisierte sich bei beiden Fluchtstrategien unter 15 Sekunden. Mäuse zeigten unter beiden Fluchtstrategien ein konsistentes Verfolgungsverhalten.