鱼类视觉：3D眼动追踪揭示了鱼群动力学

鱼群是动物集体行为的迷人例子。成千上万的个体几乎完全同步地移动，尽管每条鱼对周围环境的视野都很有限。他们如何以最少的本地信息实现如此轻松的协调？在不断变化的动态群体中，一条鱼实际上感知到了什么视觉线索

研究这些问题的卓越集群“集体行为”和马克斯·普朗克动物行为研究所的研究人员开发了一种深入观察鱼眼睛的新技术：他们的新3D眼动追踪方法是非侵入性的，可以仅使用鱼的视频记录，以全自动的方式追踪自由游动的鱼的眼球运动。这项工作发表在《通讯生物学》上

为什么鱼眼很重要

为什么了解3D鱼的视网膜视图很重要？很简单：为了帮助我们理解“集体行为规则”，我们需要估计群体中的个体成员可以获得哪些信息

例如，学校的集体行为是基于每条鱼做出的数千个决定。如果一条鱼改变了运动方向，哪些因素会影响这一决定？在它的视野中，还有哪些鱼是它用来定位的？哪条鱼会对这条鱼产生反应？鱼类集体遵循哪些行为规则，他们的决定基于哪些感官感知

科学家们调查了集体中个体之间相互作用的性质，从鱼群到鸟群，从蝗虫群到跨大陆迁徙的大型群体。典型的研究设置是，相机在实验室或野外拍摄动物集体。然后，研究人员使用计算机视觉分析了这些记录

每隔几毫秒，计算机算法就会跟踪和评估组中每个成员的位置和身体姿势，并相互比较。一个重要方面是重建每个人的视野，因为这使我们能够了解每个人的感知以及这是否会影响其后续的运动。这就是新的眼动追踪方法发挥作用的地方

重建视野

重建自由游动的鱼的视野并不容易。仅仅跟踪眼睛的位置是不够的；眼睛必须始终与动物的身体姿势相关联。对于科学家来说，不需要对动物进行干预尤其重要，例如，它们不必安装目镜

“我们新的非侵入性方法满足了所有这些要求，”在开发该技术中发挥关键作用的梁莉说。“使用相机图像，我们首先重建了鱼的3D身体姿势，其次，眼睛的精确位置——就像人类一样，可以在眼眶中移动——第三，我们重建了它们的视网膜视图，看看它们看到了什么。”

新方法的一个主要优点是鱼的行为是在3D中分析的。以前的方法通常基于2D图像，因此不能完全反映鱼群的三维性质。此外，不需要对鱼进行干预：它们只是在水箱中自由游泳时被摄像头记录下来

至少需要两个摄像头，但是，使用许多摄像头，该系统可以扩展到大型鱼缸——摄像头越多，分析就越精确

李说：“了解动物如何感知环境并与社会伙伴互动，对于揭示集体行为背后的机制至关重要。我们的方法能够精确地获取自由移动的鱼类的视觉感知。”。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展

使用新方法

新方法已经在金鱼的初步行为实验中使用，检查了一条金鱼在前方游泳时的视野。主要作者Ruiheng Wu解释说：“视网膜视图的重建表明，金鱼会动态地调整它们的眼球运动，使游在前面的鱼始终保持在视网膜的中心。”

研究人员还注意到眼球运动呈负同步，这意味着眼睛的运动方向相反，而不是平行工作。例如，如果左眼聚焦于邻近的鱼并跟随其运动，右眼通常会转向完全相反的方向

在未来的实验中，李想弄清楚其他鱼类是否也是如此，以及掠食性鱼类的双眼在聚焦猎物时是否最终会对齐 More information: Ruiheng Wu et al, Non-invasive eye tracking and retinal view reconstruction in free swimming schooling fish, Communications Biology (2024). DOI: 10.1038/s42003-024-07322-y

Journal information: Communications Biology