Nowe badanie przeprowadzone przez międzynarodową współpracę pod kierownictwem Northwestern University potwierdziło, że można patrzeć w dół na chodnik podczas chodzenia, ryby spoglądają w dół podczas pływania.
Badanie jest pierwszym, które łączy symulacje mózgu danio pręgowanego, rodzimego środowiska i przestrzennie zróżnicowanych zachowań pływackich w jednym modelu obliczeniowym. Analizując ten model, naukowcy doszli do wniosku, że to dziwactwo – patrzenie w dół podczas pływania do przodu – jest zachowaniem adaptacyjnym, które wyewoluowało, aby pomóc rybom w samostabilizacji, jak podczas pływania pod prąd.
Gdy woda się porusza, ryby nieustannie próbują się ustabilizować, aby pozostać na miejscu – zamiast zostać zmiecionym przez poruszający się strumień. Skupienie się na innych rybach, roślinach lub szczątkach może dać rybie fałszywe wrażenie, że się porusza. Stabilne koryto rzeki pod nimi dostarcza jednak rybom bardziej wiarygodnych informacji o kierunku i prędkości pływania.
„To jest podobne do siedzenia w nieruchomym wagonie kolejowym. Jeśli pociąg obok ciebie zaczyna odjeżdżać ze stacji, może to skłonić cię do myślenia, że ty też się poruszasz” – powiedziała Emma Alexander z Northwestern, która kierowała nauka. „Wskazówka wizualna z drugiego pociągu jest tak silna, że przesłania fakt, iż wszystkie inne zmysły mówią ci, że siedzisz nieruchomo. To dokładnie to samo zjawisko, które badamy u ryb. Powyżej znajduje się wiele mylących wskazówek dotyczących ruchu je, ale najbardziej obfite i wiarygodne sygnały są z dna rzeki”.
Badanie zostanie opublikowane 2 listopada w czasopiśmie Current Biology.
Alexander jest adiunktem informatyki w Northwestern McCormick School of Engineering, gdzie prowadzi laboratorium Bio Inspired Vision Lab.
Powrót do źródła
Aby przeprowadzić badania, Alexander i jej współpracownicy skupili się na danio pręgowanym, dobrze zbadanym organizmie modelowym. Ale chociaż wiele laboratoriów ma zbiorniki pełne danio pręgowanego, zespół chciał skupić się na rodzimym środowisku ryb w Indiach.
„Niedawno odkryto, że ryby reagują na ruch pod nimi silniej niż na ruch nad nimi. Chcieliśmy zagłębić się w tę tajemnicę i zrozumieć, dlaczego” – wyjaśnił Alexander. „Wiele danio pręgowanych, które badamy, dorasta w zbiornikach laboratoryjnych, ale ich rodzime siedliska ukształtowały ewolucję ich mózgów i zachowań, więc musieliśmy wrócić do źródła, aby zbadać kontekst rozwoju organizmu”.
Uzbrojony w sprzęt fotograficzny zespół odwiedził siedem miejsc w Indiach, aby zebrać dane wideo z płytkich rzek, w których naturalnie żyją danio pręgowany. Zespół terenowy umieścił kamerę 360 stopni w wodoodpornej obudowie do nurkowania i przymocował ją do zdalnie sterowanego ramienia robota. Następnie wykorzystali ramię robota, aby zanurzyć kamerę w wodzie i poruszać nią.
„Pozwoliło nam to umieścić nasze oczy tam, gdzie byłyby oczy ryb, więc widzi to, co widzą ryby” – powiedział Alexander. „Na podstawie danych wideo byliśmy w stanie zamodelować hipotetyczne scenariusze, w których symulowana ryba poruszała się dowolnie w realistycznym środowisku”.
‘Zaczekaj na mnie!’
Po powrocie do laboratorium zespół śledził również ruchy danio pręgowanego w kuli LED. Ponieważ ryby mają duże pole widzenia, nie muszą ruszać oczami, aby rozglądać się dookoła, tak jak robią to ludzie. Dlatego naukowcy odtwarzali bodźce ruchowe na światłach i obserwowali reakcje ryb. Kiedy na dnie zbiornika pojawiły się wzory, ryby płynęły wraz z poruszającymi się wzorami – kolejny dowód na to, że ryby odbierały wizualne wskazówki patrząc w dół.
„Jeśli odtworzysz wideo z ruchomymi paskami, ryby będą się poruszać wraz z paskami” – powiedział Alexander. „To tak, jakby mówili „czekaj na mnie!” W eksperymencie behawioralnym policzyliśmy uderzenia ich ogonami. Im więcej machali ogonami, tym bardziej chcieli nadążyć za poruszającymi się paskami.
Następnie zespół wyodrębnił dane z filmów i połączył je z danymi z tego, jak sygnały ruchu są kodowane w mózgu ryby. Wprowadzili zbiory danych do dwóch wcześniej istniejących algorytmów używanych do badania przepływu optycznego (lub ruchu świata przez nasze oczy lub obiektywy aparatu).
Ostatecznie odkryli, że w obu scenariuszach – na wolności iw laboratorium – danio pręgowany patrzy w dół, gdy płynie do przodu. Naukowcy doszli do wniosku, że ryby spoglądają w dół, aby zrozumieć ruchy swojego środowiska, a następnie pływają, aby temu przeciwdziałać – aby uniknąć zamiatania.
„Połączyliśmy wszystko razem w symulację, która pokazała, że w rzeczywistości jest to zachowanie adaptacyjne” – powiedział Alexander, który kierował obliczeniową częścią badania. „Powierzchnia wody stale się porusza, a inne ryby i rośliny przemieszczają się. Ryby lepiej pomijają te informacje i skupiają się na informacjach znajdujących się pod nimi. Koryta rzek mają wiele tekstur, więc ryby widzą silne cechy, które mogą śledzić”.
Budowanie lepszych robotów
Informacje te nie tylko dają pewien wgląd w zachowanie ryb, ale mogą również stanowić podstawę projektów sztucznych systemów wizyjnych i wyrafinowanych robotów inspirowanych biologią.
„Gdybyś robił robota inspirowanego rybami i po prostu spojrzał na jego anatomię, mógłbyś pomyśleć, że„ oczy są skierowane na boki, więc zamierzam skierować moje kamery na boki ”- powiedział Alexander. „Okazuje się jednak, że oczy są skierowane na boki, ponieważ równoważą kilka zadań. Uważamy, że wskazują na boki, ponieważ jest to kompromis – patrzą w górę, aby polować, a w dół, aby pływać”.
Badanie „Przepływ optyczny w naturalnych siedliskach danio pręgowanego wspiera odchylenia przestrzenne w wizualnej ocenie własnego ruchu” było wspierane przez grant Human Frontier Science Program Young Investigator (HSFP RGY0079), National Institutes of Health (numer grantu NIH EY003176) oraz Werner Reichardt Center for Integrative Neuroscience (numer grantu EXC307).