Varför tittar fiskar ner när de simmar

Precis som du kan titta ner på trottoaren när du går, tittar fiskar nedåt när de simmar, har en ny studie från ett Northwestern University-ledd internationellt samarbete bekräftat.

Studien är den första som kombinerar simuleringar av zebrafiskens hjärna, inhemska miljö och rumsligt varierande simbeteende i en beräkningsmodell. Genom att analysera denna modell drog forskarna slutsatsen att denna egenhet – att titta ner medan du simmar framåt – är ett adaptivt beteende som utvecklats för att hjälpa fisken att stabilisera sig själv, som när de simmar mot en ström.

När vattnet rör sig försöker fiskar ständigt att självstabilisera sig för att stanna på plats – snarare än att svepas bort i en ström i rörelse. Att fokusera på andra fiskar, växter eller skräp kan ge fisken en falsk känsla av att den rör sig. Den stabila flodbädden under dem ger dock fisken mer tillförlitlig information om deras simriktning och hastighet.

”Det liknar att sitta på en tågvagn som inte rör sig. Om tåget bredvid ditt börjar dra bort från stationen kan det lura dig att tro att du också rör på dig”, säger Emma Alexander från Northwestern, som ledde studien. “Den visuella signalen från det andra tåget är så stark att den åsidosätter det faktum att alla dina andra sinnen säger till dig att du sitter still. Det är exakt samma fenomen som vi studerar i fisk. Det finns många vilseledande rörelsesignaler ovanför dem, men de mest rikliga och pålitliga signalerna kommer från flodens botten.”

Studien publicerades idag (2 november) i tidskriften Current Biology.

Alexander är biträdande professor i datavetenskap vid Northwesterns McCormick School of Engineering, där hon driver Bio Inspired Vision Lab.

Gå tillbaka till källan

För att genomföra forskningen fokuserade Alexander och hennes medarbetare på zebrafisk, en välstuderad modellorganism. Men även om många laboratorier har tankar fulla med zebrafisk, ville teamet fokusera på fiskens hemmiljö i Indien.

“Det upptäcktes nyligen att fiskar reagerar starkare på rörelse under dem än rörelse ovanför dem. Vi ville gräva i det mysteriet och förstå varför”, förklarade Alexander. “Många zebrafiskar som vi studerar växer upp i labbtankar, men deras ursprungliga livsmiljöer formade utvecklingen av deras hjärnor och beteenden, så vi behövde gå tillbaka till källan för att undersöka sammanhanget för var organismen utvecklades.”

7

Teamet samlade in videodata från sju platser över hela Indien.

Beväpnade med kamerautrustning besökte teamet sju platser över hela Indien för att samla in videodata från grunda floder, där zebrafiskar naturligt lever. Fältteamet inkapslade en 360-graderskamera i ett vattentätt dykfodral och fäste den på en fjärrstyrd robotarm. Sedan använde de robotarmen för att kasta ner kameran i vattnet och flytta runt den.

“Det gjorde det möjligt för oss att placera våra ögon där fiskögonen skulle vara, så det är att se vad fisken ser,” sa Alexander. “Från videodata kunde vi modellera hypotetiska scenarier där en simulerad fisk rörde sig godtyckligt genom en realistisk miljö.”

‘Vänta på mig!’

Tillbaka i labbet spårade teamet också zebrafiskens rörelser inuti en boll av lysdioder. Eftersom fiskar har ett stort synfält behöver de inte röra ögonen för att se sig omkring som människor gör. Så forskarna spelade rörelsestimuli över ljusen och tittade på fiskarnas svar. När mönster dök upp på botten av tanken simmade fisken tillsammans med de rörliga mönstren – mer bevis på att fisken tog sina visuella ledtrådar från att titta nedåt.

“Om du spelar upp en video med rörliga ränder, kommer fisken att röra sig med ränderna,” sa Alexander. “Det är som att de säger “vänta på mig!” I beteendeexperimentet räknade vi deras svansslag. Ju mer de viftade med svansen, desto mer ville de hänga med i de rörliga ränderna.”

Teamet abstraherade sedan data från sina videor och kombinerade det med data från hur rörelsesignaler kodas in i fiskens hjärna. De matade datamängderna till två redan existerande algoritmer som används för att studera optiskt flöde (eller världens rörelse över våra ögon eller kameralinser).

“Om du spelar upp en video med rörliga ränder, kommer fisken att röra sig med ränderna,” sa Alexander. “Det är som att de säger “vänta på mig!” – Emma Alexander, datavetare

Till slut upptäckte de att i båda scenarierna – i det vilda och i labbet – tittar zebrafiskar ner när de simmar framåt. Forskarna drog slutsatsen att fiskar tittar ner för att förstå sin omgivnings rörelse och sedan simmar för att motverka den – för att undvika att svepas bort.

“Vi knöt ihop allt till en simulering som visade att detta i själva verket är ett adaptivt beteende”, säger Alexander, som ledde den beräkningsmässiga delen av studien. – Vattenytan rör sig hela tiden och andra fiskar och växter rör sig förbi. Fisk är bättre av att utelämna den informationen och fokusera på informationen under dem. Flodbäddar har mycket textur, så fiskar ser starka egenskaper som de kan spåra.”

Bygger bättre robotar

Den här informationen ger inte bara en viss insikt i fiskars beteende, den kan också informera om design för artificiella synsystem och sofistikerade bioinspirerade robotar.

“Om du gjorde en fiskinspirerad robot och du bara tittade på dess anatomi, kanske du tänker” ögonen pekar i sidled, så jag kommer att rikta mina kameror i sidled”, sa Alexander. ”Men det visar sig att ögonen pekar åt sidan eftersom de balanserar flera uppgifter. Vi tror att de pekar i sidled eftersom det är en kompromiss – de tittar uppåt för att jaga och nedåt för att simma.”

Studien, “Optiskt flöde i zebrafiskens naturliga livsmiljöer stödjer rumsliga fördomar i visuell självrörelseuppskattning”, stöddes av Human Frontier Science Program Young Investigator-anslag (HSFP RGY0079), National Institutes of Health (bidragsnummer NIH EY003176) och Werner Reichardt Center for Integrative Neuroscience (bidragsnummer EXC307).

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *